尹晶，郭慧浩，林海丹，毛安瀾，劉赫，于群英

（1.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，武漢 430074；2.吉林省電力科學(xué)研究院有限公司，長(zhǎng)春 130000）

0 引言

隨著近年超/特高壓電網(wǎng)的長(zhǎng)足發(fā)展，干式空心電抗器作為無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾O(shè)備，起到了對(duì)系統(tǒng)提供無(wú)功功率，提高功率因數(shù)減小損耗、改善電能質(zhì)量、對(duì)線路分布電壓進(jìn)行有效控制等目的[1]。目前國(guó)內(nèi)制造廠生產(chǎn)的干式電抗器在通常采用外層聚酯薄膜的單絲絕緣繞包鋁線做載流導(dǎo)線[2-3]，繞制其導(dǎo)線時(shí)內(nèi)外平行繞包環(huán)氧樹脂所浸漬的玻璃纖維，加熱固化后形成包封絕緣結(jié)構(gòu)。

干式電抗器在投入運(yùn)行時(shí)會(huì)有如下幾個(gè)狀況：首先在滿負(fù)荷的運(yùn)行工況以及頻繁投切電抗器情況下，電抗器的帶電和停電會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線發(fā)熱膨脹和冷卻收縮；其次在電抗器主體外包封的環(huán)氧樹脂玻璃鋼材料層用于加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度和密封的作用，但主成分帶苯環(huán)的基團(tuán)在光照尤其是紫外線作用下，容易發(fā)生加氫反應(yīng)而開環(huán)[4-5]；再次電抗器在戶外環(huán)境的工況中，常年遭受潮氣、環(huán)境冷熱、鹽霧侵蝕、電磁場(chǎng)作用。上述運(yùn)行工況和環(huán)境均極易導(dǎo)致環(huán)氧樹脂發(fā)生老化現(xiàn)象，造成其機(jī)械強(qiáng)度和絕緣強(qiáng)度急劇降低。即使制造時(shí)包封絕緣的物料選用已考慮到使用膨脹系數(shù)較為接近材料，所有上述情況都易引發(fā)環(huán)氧玻璃纖維樹脂層老化開裂[6]。絕緣材料的老化及表面開裂會(huì)導(dǎo)致水霧氣容易滲入電抗器絕緣內(nèi)，使包封絕緣受潮，進(jìn)而導(dǎo)致過(guò)熱或局部放電、經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的累積效應(yīng)最終形成匝絕緣損傷引發(fā)嚴(yán)重故障。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明包封開裂是目前引發(fā)干式電抗器故障的主要原因之一。因此對(duì)干抗空心電抗器進(jìn)行包封絕緣裂紋檢測(cè)尤為關(guān)鍵。

目前電抗器包封裂紋檢測(cè)仍主要依靠人工來(lái)完成，因包封結(jié)構(gòu)狹小且不規(guī)則（截面寬僅25 mm，長(zhǎng)79～91 mm）而經(jīng)常導(dǎo)致漏檢。利用專為電抗器裂紋檢測(cè)設(shè)計(jì)的機(jī)器人可方便爬到結(jié)構(gòu)緊湊的包封層內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，機(jī)器人主要由本體、氣動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、內(nèi)窺鏡、傳感器等組成，機(jī)器人使用橡膠棘抓固定于管壁，通過(guò)微型氣缸驅(qū)動(dòng)爬行，利用其自身攜帶的內(nèi)窺鏡對(duì)包封內(nèi)部進(jìn)行圖像拍攝。再利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)對(duì)其拍攝后圖片進(jìn)行識(shí)別，常用檢測(cè)方法有基于邊緣檢測(cè)的Gabor 濾波算法[7]，描述局部紋理特征算子的局部二值模式（LBP）算法[8]等。這些傳統(tǒng)的缺陷檢測(cè)利用了底層顏色特征，在特征明顯較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合能夠很好工作；但對(duì)特征不明顯的、形狀多樣的包封玻璃纖維層中的裂紋識(shí)別則不再適用。

近年來(lái)隨著深度學(xué)習(xí)與計(jì)算機(jī)視覺(jué)結(jié)合的不斷發(fā)展，為裂紋的識(shí)別提供了新方法的可能。深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種輸入到輸出的映射網(wǎng)絡(luò)，它能夠提取目標(biāo)的高維特征，并通過(guò)大數(shù)據(jù)樣本來(lái)訓(xùn)練學(xué)習(xí)參數(shù)并提升檢測(cè)效率。主要方法之一是以RCNN、Fast RCNN 和Faster RCNN[9]算法為標(biāo)志的基于區(qū)域提議的two-stage 類算法，如常海濤[10]的缺陷檢測(cè)方法通過(guò)Faster RCNN 的卷積網(wǎng)絡(luò)獲取目標(biāo)的特征，其特點(diǎn)是先獲得提供待檢測(cè)目標(biāo)的大致分布區(qū)域并分類。另一種方法是以SSD、YOLO 算法為標(biāo)志的無(wú)區(qū)域提議one-stage 類方法的，核心是對(duì)整幅圖像用單一的卷積網(wǎng)絡(luò)直接來(lái)預(yù)測(cè)目標(biāo)的位置，one-stage 類算法在識(shí)別速度有著一定的優(yōu)勢(shì)。顏宏文[11]等利用YOLOv3 網(wǎng)絡(luò)和遷移學(xué)習(xí)算法進(jìn)行航拍圖像中缺陷絕緣子串識(shí)別方法，提高了識(shí)別率。YOLOv3 在MS-COCO[12]數(shù)據(jù)集中實(shí)現(xiàn)了55.3%的mAP，速度達(dá)到35 幀/s，具有較高的準(zhǔn)確率和實(shí)時(shí)性。但在實(shí)際檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)YOLOv3 對(duì)一些背景紋理復(fù)雜、裂紋區(qū)域不清晰的圖片識(shí)別效果一般。

本文針對(duì)上述情況提出了一種基于YOLOv3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和視覺(jué)顯著性來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下電抗器裂紋檢測(cè)的改進(jìn)思路：1）使用YOLOv3 可滿足大部分封裂紋識(shí)別的任務(wù)要求；2）對(duì)較難識(shí)別的圖像則先進(jìn)行一系列預(yù)處理，圖像灰度化后進(jìn)行高斯降噪，再進(jìn)行顯著性處理；最后將有裂紋區(qū)域部分通過(guò)閾值分割使之從復(fù)雜背景中得到位置確認(rèn)并用于識(shí)別。

1 基于YOLOv3的目標(biāo)檢測(cè)

1.1 YOLOv3算法簡(jiǎn)介

YOLOv3 是一種基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的檢測(cè)物體的目標(biāo)檢測(cè)器。他是一種全卷積網(wǎng)絡(luò)（FCN），把BN 層和leaky relu 層接到每一層卷積層之后。遍歷圖像后算法可進(jìn)行3 種不同尺度的預(yù)測(cè)，先將圖像固定為416×416 大小的尺寸。然后檢測(cè)層在尺寸分別為13×13、26×26 和52×52 網(wǎng)格上進(jìn)行檢測(cè)。每個(gè)網(wǎng)格上通過(guò)候選框預(yù)測(cè)，網(wǎng)格包含有3 個(gè)預(yù)測(cè)邊界框及數(shù)據(jù)集類別的置信度，其具體5 個(gè)預(yù)測(cè)參數(shù)分別為：x、y、w、h和置信度。YOLO 特點(diǎn)是檢測(cè)速度快，可用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)，強(qiáng)化小物體的識(shí)別能力。在提取圖像特征方面，YOLOv3 的網(wǎng)絡(luò)（backbone）采用了Darknet53 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1，使用了殘差網(wǎng)絡(luò)（residual network）[13]，使在卷積層之間設(shè)置了快捷鏈路。在ImageNet 數(shù)據(jù)集上實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證darknet53，相對(duì)于ResNet-152 和ResNet-101，其不僅在分類精度上有略微提升，計(jì)算速度較ResNet-152 和ResNet-101快，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)也較少。

圖1 Darknet-53網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Darknet-53 network structure

1.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)

YOLOv3 在其部署到移動(dòng)設(shè)備、邊緣設(shè)備等時(shí)，模型剪枝是非常有必要的。原始網(wǎng)絡(luò)模型有239 M大小的參數(shù)，參數(shù)個(gè)數(shù)到達(dá)了61 529 119 個(gè)。參數(shù)遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)集很容易導(dǎo)致模型高方差過(guò)擬合現(xiàn)象，剪枝后可較大地提升計(jì)算速度降低過(guò)擬合。

根據(jù)論文[14]原理，對(duì)于一個(gè)訓(xùn)練好的模型，會(huì)發(fā)現(xiàn)部分卷積核權(quán)重很小，因此相應(yīng)的激活也會(huì)很小。利用YOLOv3 的組件Darknetconv2D_BN_Leaky 中的BN 層的縮放因子γ 作為重要性因子，γ 越小這部分卷積核的貢獻(xiàn)越小，裁剪這些卷積核后再微調(diào)是可以恢復(fù)到之前的精度，這是在未作任何限制情況下。如果對(duì)權(quán)重做某些限制如L1 正則，那么訓(xùn)練的參數(shù)會(huì)比較稀疏，更加利于裁剪，流程見(jiàn)圖2。

圖2 YOLOv3網(wǎng)絡(luò)裁剪流程Fig.2 Network tailoring process of YOLOv3

1.3 數(shù)據(jù)集制作方法與圖片標(biāo)記

訓(xùn)練數(shù)據(jù)集樣本量是決定一個(gè)模型性能好壞的最重要條件。數(shù)據(jù)少時(shí)模型訓(xùn)練時(shí)可能無(wú)法收斂，少量訓(xùn)練數(shù)據(jù)難以提供足夠的信息供給模型學(xué)習(xí)，導(dǎo)致過(guò)擬合（overfitting）和陷入局部最優(yōu)值（local minimun）。為了增加數(shù)據(jù)集的多樣性，在利用缺陷檢測(cè)微型機(jī)器人[15]及人工收集圖片時(shí)應(yīng)適當(dāng)改變拍攝圖片背景、明暗程度、角度遠(yuǎn)近等條件或?qū)D片進(jìn)行裁剪放大、隨機(jī)旋轉(zhuǎn)、隨機(jī)水平/垂直翻轉(zhuǎn)。通過(guò)這樣的數(shù)據(jù)增強(qiáng)擴(kuò)展，將裂紋的圖片增加到至少5 000 余張以上。這些通過(guò)隨機(jī)變換生成的圖像并不影響目標(biāo)基本的特征信息，在樣本不足的情況下可有效增加樣本的數(shù)量和多樣，模型在訓(xùn)練時(shí)不會(huì)兩次看到完全相同的圖像，也就提升了泛化能力。

圖片標(biāo)記工具使用LabelImg 軟件來(lái)制作數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖3。

圖3 標(biāo)注樣本與檢測(cè)的示例Fig.3 Examples of labeling samples and testing

選擇制作數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)原則有：

1）標(biāo)注框不能過(guò)大和過(guò)小，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致框內(nèi)大部分區(qū)域都是背景；過(guò)小的框內(nèi)的特征經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)處理后，會(huì)和背景中的一些雜質(zhì)紋理疵點(diǎn)相同，使模型學(xué)習(xí)后對(duì)其區(qū)分較為困難。

2）數(shù)據(jù)越有代表性越好，做數(shù)據(jù)的時(shí)候選擇比較有代表性的裂紋，避免使用那些和背景差不多的裂紋，會(huì)導(dǎo)致模型訓(xùn)練后將不能很好區(qū)分背景和前景。

3）根據(jù)實(shí)際YOLOv3 的使用經(jīng)驗(yàn)，將整理收集到的圖片統(tǒng)一裁剪為416×416 像素下識(shí)別效果最佳。由于訓(xùn)練大分辨率的圖片效果比較差，可以利用程序處理將大分辨率圖像先進(jìn)行裁剪再操作。

測(cè)試環(huán)境與結(jié)果如表1 所示。

表1 測(cè)試環(huán)境與結(jié)果Table 1 Test environment and results

YOLOv3 目前已經(jīng)在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其基本使用方法故不再贅述。

2 圖片的預(yù)處理

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的包封圖像通常含有高頻噪聲信息、中頻信息、低頻背景等信息，圖像的頻率是反映灰度值變化大小程度的指標(biāo)。圖像的低頻是輪廓，高頻是噪聲和細(xì)節(jié)。David Marr 提出高斯差分算子（difference of gaussian，DOG）[16]，通過(guò)一幅圖片減去另一幅圖片去除掉那些在原始圖像中被保留下來(lái)的頻率之外的所有其它冗余信息，可有效地抑制高頻信息。

二維高斯函數(shù)見(jiàn)公式（1），其中σ是方差，σ越大，則高斯函數(shù)峰就越平滑，圖像卷積效果也越模糊，更平滑。DOG 起到了高斯差分帶通濾波的作用，有效地提高了目標(biāo)的中頻信息。當(dāng)DOG 被用于圖像增強(qiáng)時(shí)，其算法中兩個(gè)高斯核的半徑之比K通常為4:1 或5:1，當(dāng)K≈5 時(shí)又很好地模擬了視網(wǎng)膜上神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的視野[17]，以獲取裂紋缺陷中主要信息成分，增強(qiáng)了檢測(cè)目標(biāo)對(duì)比度。高斯差分算子如公式（2）所示：

確定卷積核后對(duì)圖片進(jìn)行高斯差分計(jì)算，公式為

疵點(diǎn)和裂紋等缺陷的紋理為圖像的細(xì)節(jié)，在上述高斯差分計(jì)算去除高頻噪聲的同時(shí)，不可避免的也減弱了裂紋等缺陷區(qū)域的信息量。因此通過(guò)多尺度細(xì)節(jié)增強(qiáng)算法，增強(qiáng)缺陷部分的邊緣細(xì)節(jié)信息[18]。其核心使用了3 個(gè)尺度的高斯核對(duì)原圖濾波，再與原圖相減，以獲得不同程度的細(xì)節(jié)信息，算法將不同尺度上的特征圖進(jìn)行了融合，最終得到加強(qiáng)后的原圖信息。

首先，對(duì)圖像灰度化處理。用G1、G2、G3其標(biāo)準(zhǔn)差分別為σ1=1、σ2=2、σ3=4 的3 個(gè)高斯核函數(shù)對(duì)高斯差分處理后的圖像代入式（4）再進(jìn)行處理，得到3幅模糊圖（Blurred image）B1、B2、B3公式為

根據(jù)式（5）將對(duì)應(yīng)圖像進(jìn)行處理，獲得細(xì)節(jié)圖D1、次細(xì)節(jié)圖D2與粗略圖D3，公式為

然后根據(jù)式（6）將3 個(gè)不同細(xì)節(jié)程度的圖像進(jìn)行整合，得到整體細(xì)節(jié)圖，其中權(quán)重w1=0.5，w2=0.5，w3=0.25。

In the patriarchal system,woman can’t determine their lives and it seems that their fates are doomed at the very beginning and the man are the rule maker of the society who has the absolute right to determine the fate of woman,which makes woman become the gender“Other”.

經(jīng)過(guò)多尺度增強(qiáng)計(jì)算，得到灰度化并平滑圖片后灰度增強(qiáng)圖，見(jiàn)圖4。從圖4 可以看出算法有效地減少了圖片中電抗器環(huán)網(wǎng)樹脂表面毛刺疵點(diǎn)高頻噪聲等細(xì)節(jié)，且對(duì)需識(shí)別樹脂層裂紋處的細(xì)節(jié)并未減少。

圖4 灰度化并平滑圖片后灰度增強(qiáng)Fig.4 Gray enhancement after graying and smoothing the image

3 利用視覺(jué)顯著性提取有缺陷區(qū)域

人的眼睛具有快速、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)視野中感興趣物體的能力[19]，在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域識(shí)別感興趣物體的過(guò)程被定義為顯著性檢測(cè)。視覺(jué)顯著性模擬人類受視覺(jué)感知的驅(qū)動(dòng)，將人的視點(diǎn)驅(qū)使到某一場(chǎng)景中的顯著區(qū)域，再通過(guò)圖像中顏色、亮度、邊緣等特征表示，判斷目標(biāo)區(qū)域和它周圍像素的差異?？衫靡曈X(jué)顯著性優(yōu)先獲取電抗器包封圖像中裂紋缺陷區(qū)域。

圖像處理通常是對(duì)像素的檢測(cè)，要得到有良好細(xì)節(jié)的圖像，攝像頭獲取的圖像往往分辨率較高，導(dǎo)致顯著性檢測(cè)算法計(jì)算過(guò)程中等待時(shí)間較長(zhǎng)，耗費(fèi)較高的硬件資源。對(duì)此本文提出一種降低計(jì)算量提高顯著性檢測(cè)效率的流程：首先對(duì)圖像通過(guò)簡(jiǎn)單線性迭代聚類（simple linear iterative clustering，SLIC）超像素分割算法對(duì)原始圖像做超像素分割，形成一系列超像素集；其后利用圖像中顯著區(qū)域與其他區(qū)域灰度值差異的方法用于顯著性檢測(cè)。

3.1 裂紋缺陷圖像超像素分割

SLIC 超像素分割抽象化圖像，通過(guò)把像素距離通過(guò)度量標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造局部聚類，生成視覺(jué)上緊湊的超像素區(qū)域。其主要思路為將RGB 彩色圖像轉(zhuǎn)化為非線性壓縮的具有亮度（L）、顏色對(duì)立維度（a，b）的CIELAB色彩空間和二維坐標(biāo)x，y共5 個(gè)特征向量構(gòu)造度量標(biāo)準(zhǔn)。生成的超像素緊湊整齊，輪廓保持得較好，彩色圖和灰度圖均可兼容分割。其具體步驟如下：

1）初始化聚類中心。假設(shè)原圖總共N個(gè)像素點(diǎn)，在圖像內(nèi)平均分布按照算法設(shè)置的超像素個(gè)數(shù)K，預(yù)分割的每個(gè)超像素的大小為N/K，相鄰聚類中心之間的步長(zhǎng)（距離）則近似為。為了避免分割的聚類中心處于梯度較大的輪廓邊緣，需將聚類中心分配到以他為中心3×3 的窗口內(nèi)非邊緣灰度變化（梯度值）最小的位置，并給每個(gè)聚類中心一個(gè)標(biāo)簽，以免對(duì)后續(xù)聚類造成影響。

2）進(jìn)行距離度量。計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)與距離最近的聚類中心的距離，包括顏色距離和空間距離得到最終距離度量D。由于每個(gè)像素點(diǎn)會(huì)被多個(gè)聚類中心搜索到，取其中距離最小值對(duì)應(yīng)的作為該像素點(diǎn)標(biāo)記的聚類中心。然后通過(guò)多次循環(huán)迭代進(jìn)行上述過(guò)程聚類收斂，相似度算法表達(dá)式為

式中：ds為像素點(diǎn)間空間距離；dc為像素點(diǎn)間顏色距離（差異）；由步驟1）可知Ns為為像素點(diǎn)間空間最大距離；Nc為像素點(diǎn)間色彩最大距離，D體現(xiàn)了兩個(gè)像素間的相似度，越小則代表像素越相似。其中Ns和Nc可認(rèn)為色彩與空間的歸一化常數(shù)，Nc根據(jù)具體的圖片和像素簇不同可看做固定常數(shù)M，M取值范圍為[1，40]，一般取10。M和K值決定了圖像的精細(xì)程度，M用來(lái)確定分割結(jié)果與圖像實(shí)際邊界貼合度，M值越大，貼合程度越高。實(shí)際中應(yīng)根據(jù)使用者機(jī)器運(yùn)行性能來(lái)選擇M與K的值。

3）迭代更新聚類中心。與標(biāo)準(zhǔn)的K-means 算法不同，為了節(jié)省算法時(shí)間開銷加速收斂，SLIC 只計(jì)算在每個(gè)超像素塊中心周邊的2L×2L區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)，進(jìn)行步驟2 的距離度量后，即完成一次迭代，然后計(jì)算每個(gè)超像素塊新的中心點(diǎn)坐標(biāo)，并再次循環(huán)迭代。裂紋超像素分割圖見(jiàn)圖5。

圖5 原圖與超像素分割示例圖Fig.5 Legend of original image and super pixel segmentation

由于電抗器包封的絕緣材料顏色變化較為單一、紋理特征相似程度也較高。通過(guò)選擇合適參數(shù)使SLIC 超像素分割在處理此類圖像時(shí)使之其紋理細(xì)節(jié)和邊緣細(xì)節(jié)保持的較好，同時(shí)處理后的圖像只有原圖大小的1/4～1/5，顯著降低了算法的開銷，為后續(xù)步驟提高檢測(cè)速度。

3.2 缺陷圖像多尺度視覺(jué)顯著圖

觀察包封圖片中微裂紋疵點(diǎn)等缺陷分布規(guī)律可知，裂紋顯著區(qū)域通常為連續(xù)的塊狀或條狀，可理解為顯著區(qū)域包含的像素塊較為集中、空間距離較近。且由于光線原因圖片中顯著區(qū)域與其他區(qū)域的灰度及紋理存在較明顯的差異。因此某一灰度值在圖像中的空間分布越廣，該顏色屬于背景的可能性越大。

通過(guò)上述特點(diǎn)，程序?qū)︼@著區(qū)判斷應(yīng)主要遵循以下幾個(gè)原則：通過(guò)顏色變化的比較，變化較大的灰度值區(qū)域?qū)?yīng)顯著性值較高，均勻或模糊區(qū)域顯著性值低；裂紋與背景紋理灰度的特征不同，兩者之間的類間方差越大，說(shuō)明構(gòu)成圖像的兩部分差別越大；顯著區(qū)域的像素一般聚集在圖片占比較小區(qū)域內(nèi)，而不是分布整幅圖像。本文利用圖像中灰度值差異來(lái)標(biāo)記裂紋顯著區(qū)域。

根據(jù)分析，算法核心應(yīng)為定義比較像素塊之間的差異性[20]，公式為

式中dg（pi，pj）為兩個(gè)像素塊pi與pj顏色（灰度值）之間的歐式距離；dpos為像素塊pi與像素塊pj之間的歐式距離，其中（mi，n），（mj，nj）分別為像素塊pi與pj的中心點(diǎn)；gi，gj分別為像素塊Pi和Pj的灰度值均值；c推薦取3。d（pi，pj）的值越小，則代表兩個(gè)像素塊之間差異越小。其中由式（8）可以分析得出，灰度值差異dg與之成正比，位置距離dpos與之成反比，且dg（pi，pj）與dpo（spi，pj）均應(yīng)歸一化在[0，1]之間，它們共同決定了兩個(gè)像素塊的差異。

如更進(jìn)一步的提高顯著區(qū)域與其它背景非顯著區(qū)域的對(duì)比，需要引入多個(gè)尺度（scale）計(jì)算，可以使顯著區(qū)域更加明顯。式（9）為多個(gè)尺度計(jì)算顯著性值公式，qk為與像素塊pi相似的第k個(gè)像素塊，r為某一尺度scale 值。通過(guò)式（10）取多個(gè)尺度下的顯著性值的平均值來(lái)更好地提高圖像中顯著區(qū)域與其他區(qū)域的對(duì)比。

由顯著區(qū)特點(diǎn)可知，包封的裂紋區(qū)域通常是連續(xù)集中的，相似的像素塊一般聚集在一起，只需計(jì)算周邊K個(gè)與pi相似的像素即可，K根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和算法效率的一般考慮選擇K=32 或K=64。

加入上下文修正：設(shè)定顯著性閾值提取圖中的最顯著的區(qū)域，在顯著區(qū)域之外的像素塊的新顯著性值則通過(guò)與之相近的顯著像素塊之間的歐式距離（dfoci）加權(quán)得到。從而提高顯著目標(biāo)附近的顯著性值，減小非顯著區(qū)的顯著性值起到弱化背景紋理的作用，n為常數(shù)影響到弱化效果。dfoci應(yīng)歸一化在[0，1]之間。計(jì)算公式為

不同尺度下的顯著圖及最終標(biāo)注圖見(jiàn)圖6。最后，應(yīng)用OpenCV2 對(duì)二值閾值化后的顯著圖使用findContours 和drawContours 函數(shù)提取輪廓的邊界信息，對(duì)連通區(qū)進(jìn)行標(biāo)記，框選并確定位置。

圖6 裂紋不同尺度顯著圖Fig.6 Saliency diagram of cracks at different scales

3.3 不同顯著圖模型對(duì)比

視覺(jué)顯著模型有基于變換分析、基于統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)、基于信息論、基于深度學(xué)習(xí)、頻域分析、視覺(jué)注意等各類別模型[21]，其模型各有自身優(yōu)劣和擅長(zhǎng)處理領(lǐng)域，對(duì)處理后的缺陷圖像的顯著圖也存在明顯的差異。文中分別利用LC 算法[22]、EGNet[23]算法幾種常用顯著性模型進(jìn)行對(duì)比分析。

圖7 所示為不同算法的顯著圖，第1 列圖像為準(zhǔn)備處理的灰度圖像；第2 列圖像顯示LC 算法的結(jié)果，算法是利用圖像顏色統(tǒng)計(jì)信息計(jì)算空間顯著性圖的簡(jiǎn)便方法，圖像的顯著性映射建立在圖像像素之間的顏色對(duì)比度（距離）上；第3 列圖像顯示為EGNet 算法的結(jié)果，算法針對(duì)邊緣強(qiáng)化，它通過(guò)構(gòu)建一個(gè)使顯著性目標(biāo)信息和顯著性邊緣信息互補(bǔ)的網(wǎng)絡(luò)，保留顯著性目標(biāo)邊界，更利于模型進(jìn)行顯著性目標(biāo)的定位。

圖7 不同算法的顯著圖Fig.7 Saliency diagram of different algorithms

由于目前尚無(wú)共享的電抗器裂紋測(cè)試圖像集，故從測(cè)試樣本庫(kù)里選出150 個(gè)樣本，將人工標(biāo)注的結(jié)果與算法檢測(cè)結(jié)果作比對(duì)，利用誤檢（false positive）、漏檢（miss）來(lái)評(píng)價(jià)不同算法對(duì)裂紋圖像的檢測(cè)結(jié)果[24]，見(jiàn)圖8。

圖8 算法檢測(cè)結(jié)果圖示例Fig.8 Legend of algorithm detection result

表2 為算法結(jié)果對(duì)比，通過(guò)表2 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析可知，基于統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)的LC 算法的顯著圖保留了包封裂紋的大部分細(xì)節(jié)，同時(shí)也保留了較多的未濾除的背景信息，誤檢率和漏檢率較高；EGNet 邊緣強(qiáng)化模型，相對(duì)LC 算法較優(yōu)，且裂紋區(qū)域的顯著性明顯，但也仍保留了部分刮痕、污漬的誤檢區(qū)域；文中方法整體誤檢、漏檢及準(zhǔn)確率結(jié)果優(yōu)于其他兩種算法，檢測(cè)效果較好。表2 中，Nnum為各類型樣本數(shù)量，Rfp和Rm為誤檢和漏檢的結(jié)果，Ry為正確結(jié)果，Pac為準(zhǔn)確率。

表2 算法結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of algorithm results

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的YOLOv3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合視覺(jué)顯著性來(lái)實(shí)現(xiàn)裂紋檢測(cè)的算法思路取得了較好的效果，同時(shí)解決了個(gè)別背景復(fù)雜的圖像在YOLOv3 下識(shí)別率不高的問(wèn)題，得到的顯著圖提取的裂紋輪廓更加清晰，具有較好的普遍適用性；通過(guò)對(duì)較難識(shí)別的圖像進(jìn)行了SLIC 預(yù)處理、高斯降噪處理與顯著性處理，精度也達(dá)到了較為滿意的結(jié)果。

在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，由于裂紋圖像為視頻采集后再處理，檢測(cè)的實(shí)時(shí)性要求并不高，文中提出的方法雖增加了算法復(fù)雜度，但對(duì)檢測(cè)的效率影響不大。后續(xù)的研究將致力于在保證識(shí)別精度前提下加快檢測(cè)的速度、或提出更簡(jiǎn)潔有效的實(shí)時(shí)圖像檢測(cè)的方法。