一種有效的高壓線路類圓部件識(shí)別方法

馬行漢，韓 軍，朱國(guó)軍

(上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，上海 200072)

1 現(xiàn)有類圓識(shí)別方法簡(jiǎn)介

高效的巡檢高壓架空輸電線路對(duì)確保國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的安全具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了自動(dòng)診斷線路部件缺陷，部件識(shí)別是極其重要的步驟。本文對(duì)可見(jiàn)光圖像中類圓形部件進(jìn)行分析與識(shí)別。在高壓架空輸電線路中，類圓曲線是類圓部件的唯一特征。通過(guò)分析與提取類圓部件的曲線段或弧線段來(lái)識(shí)別類圓部件對(duì)象曲線是進(jìn)行類圓部件識(shí)別和缺陷診斷的一種重要研究方法。

下述兩點(diǎn)造成了在航拍采集圖像中類圓部件的識(shí)別困難。首先，航拍采集圖像中存在著大量的自然背景干擾和線路部件間的遮擋使得類圓部件對(duì)象的曲線特征并不惟一。其次，在運(yùn)動(dòng)中拍攝的圖像受光照影響較大，容易造成圖像中目標(biāo)對(duì)象的輪廓模糊。

目前已有的曲線或圓識(shí)別方法主要有兩大類。

第一類為低級(jí)曲線特征識(shí)別，主要有:1)鏈碼的方法［1］很直觀和通用，但它受噪聲影響較大;2)霍夫變換及其改進(jìn)算法［2］的應(yīng)用最廣泛，但是其計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性較差;3)依據(jù)Randon變換的分割法［3］能極好地抑制噪聲，但很難分割出被其他物體遮擋的目標(biāo);4)傳統(tǒng)的邊緣檢測(cè)方法不能很好地區(qū)分出每條邊緣。應(yīng)用較廣的Canny［4］方法提取的邊緣存在并非始終保持平行的雙曲線。Steger［5］提取的邊界曲線會(huì)產(chǎn)生一些偏差和較多無(wú)意義的不連續(xù)邊緣。文獻(xiàn)［6］提取的邊界曲線不會(huì)產(chǎn)生很重要的偏差且能提取更多有意義的連續(xù)邊緣。但上述邊緣檢測(cè)方法區(qū)分直線段和曲線段的效果較差。

第二類為高級(jí)曲線特征識(shí)別，即模式識(shí)別或聚類分析［7］。模式識(shí)別的應(yīng)用廣泛，而曲線的特征識(shí)別［8］是其中的一個(gè)重要組成部分，但其在采樣時(shí)容易受到外界不同噪聲的干擾。另外，存在某點(diǎn)畸變的被采樣物會(huì)使識(shí)別特征鈍化以至于產(chǎn)生誤判。

本文在文獻(xiàn)［6］的曲線提取方法的基礎(chǔ)上提出了一種基于曲線聚類的架空高壓線路系統(tǒng)中類圓部件的自動(dòng)識(shí)別方法，按下述三大步驟處理亮度圖像。

首先通過(guò)圖像的二階偏導(dǎo)數(shù)［9］來(lái)構(gòu)造 Hessian矩陣［10］的方法來(lái)獲得曲率最大的點(diǎn)，依據(jù)Canny提出的非最大抑制法檢測(cè)出邊緣曲線點(diǎn)。再按本文提出的算法連接邊緣曲線點(diǎn)，去除小于閾值長(zhǎng)度的邊緣線，區(qū)分出直線段與曲線段，從曲線段組中區(qū)分出類圓曲線。最后通過(guò)感知聚類法得到類圓部件的邊緣曲線，即根據(jù)類圓部件的位置關(guān)系和曲線特征等信息判斷這些邊緣線段是否屬于所要識(shí)別的類圓曲線。

2 線路部件識(shí)別方法

本算法首先通過(guò)中值濾波、高斯平滑和銳化處理去除可見(jiàn)光圖像中的模糊和毛刺，接著進(jìn)行圖像灰度化，之后按照?qǐng)D1所示流程圖方法對(duì)亮度圖像進(jìn)行處理，獲得符合類圓部件特征的曲線對(duì)象。

圖1 類圓部件曲線對(duì)象的識(shí)別方法流程圖

2.1 部件知識(shí)特征

需要識(shí)別的架空高壓線路類圓部件主要有引流線、絕緣子和均壓環(huán)，其形狀描述為:

1)引流線是四條的曲線段為一組，且每條曲線上存在一條弧線段或多條凸凹性相同的相鄰類圓曲線。

2)絕緣子是一組沿某條直線對(duì)稱的曲線對(duì)，而每條曲線都是由相同起伏的類圓曲線組成。

3)均壓環(huán)是一對(duì)平行的類圓曲線，且在每條曲線上存在一對(duì)凸凹性相反的類圓曲線。

架空高壓線類圓部件的位置關(guān)系為:其中均壓環(huán)附著于玻璃絕緣子上，引流線、絕緣子、桿塔和導(dǎo)線在桿塔附近連接在一起，形成交匯區(qū)域，如圖2所示。

圖2 在高壓線路中的均壓環(huán)、絕緣子和引流線的位置關(guān)系

航拍圖像中類圓部件對(duì)象的曲線特征描述如下:

1)絕緣子是一連串開(kāi)口方向相同的絕緣子串構(gòu)成，即構(gòu)成絕緣子的類圓曲線和直線段存在平行關(guān)系。

2)每個(gè)均壓環(huán)存在具有對(duì)稱關(guān)系的類圓曲線，成對(duì)出現(xiàn)的均壓環(huán)存在具有平行關(guān)系的直線段。

3)每條引流線都是一條較長(zhǎng)的下凹曲線。

2.2 類圓部件的感知聚類

本文的主要目標(biāo)是從航拍采集圖像中背景曲線的干擾中確定類圓部件目標(biāo)對(duì)象曲線，這對(duì)在直升機(jī)巡檢項(xiàng)目中分析和診斷類圓部件的缺陷非常重要。

本算法是在利用各部件間的位置關(guān)系確定存在類圓部件的可疑區(qū)域中進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，這樣可以排除背景中的大量干擾，使得識(shí)別結(jié)果更加可靠精確。另外，由于航拍采集圖像中存在著大量高壓線路部件之間的干擾，提取的大多數(shù)邊緣目標(biāo)曲線(如均壓環(huán))因背景曲線的覆蓋而缺失。

在可疑位置區(qū)域中結(jié)合類圓部件的知識(shí)模型對(duì)三大類圓部件進(jìn)行聚類，相應(yīng)的識(shí)別過(guò)程為:首先，在三大類圓部件的可疑位置區(qū)域內(nèi)分別遍歷邊緣的區(qū)域管理結(jié)構(gòu)。然后，對(duì)直線按平行關(guān)系和對(duì)類圓曲線按平行或?qū)ΨQ關(guān)系進(jìn)行聚類，再根據(jù)曲線段的密度關(guān)系、弧半徑尺度和端點(diǎn)間距等輔助判斷是否符合某種類圓部件的特征。若存在類圓部件，把這些弧線段分別標(biāo)記為相應(yīng)的類圓部件。

3 曲線特征的提取

通過(guò)計(jì)算灰度圖的一、二階導(dǎo)數(shù)來(lái)構(gòu)造Hessian矩陣，再計(jì)算此矩陣的特征值和特征向量，接著按本文所述算法提取邊緣點(diǎn)，得到邊緣點(diǎn)組，并從中選取合適的種子點(diǎn)，連接邊緣，提取曲線特征。

3.1 邊緣點(diǎn)的提取

將二維圖像空間中的曲線標(biāo)記為f(x，y)，其法線標(biāo)記為n(x，y)。若其法線方向?yàn)?，那么其曲線方向?yàn)?。在處理圖像時(shí)，把像素當(dāng)作ZN×ZN大小的方塊區(qū)域。那么，像素點(diǎn)(x，y)具有單位面積所定義的邊界為［x－1/2，x+1/2］× ［y－1/2，y+1/2］。

式中:預(yù)處理圖像的偏導(dǎo)數(shù)rx，ry，rxx，rxy和ryy可以通過(guò)圖像與相應(yīng)的Sobel算子的卷積來(lái)估算［9］，在x和y方向上的大小為5×5的Sobel算子及其在水平方向、垂直方向和斜方向上偏導(dǎo)數(shù)如式(2)～式(6)所示

先把圖中每個(gè)點(diǎn)的rxx，rxy和ryy按式(1)分別構(gòu)建1個(gè)Hessian矩陣，再計(jì)算所有Hessian矩陣的特征值和特征向量。H(x，y)的幅值最大的特征值對(duì)應(yīng)的向量代表著點(diǎn)(x，y)曲率最大的強(qiáng)度和方向，而其幅值最小的特征值對(duì)應(yīng)的向量代表著點(diǎn)(x，y)曲率最小的強(qiáng)度和方向。將絕對(duì)值最大的特征值對(duì)應(yīng)的特征向量單位化后的向量定義為法線方向，標(biāo)記為，=1，即( －)=( －cosθ，sinθ)，且θ=arctan( －)，θ或θ+2π為點(diǎn)(x，y)的2個(gè)候選曲線方向。沿著→n方向的一、二階導(dǎo)數(shù)分別如式(7)和式(8)所示

把點(diǎn)(x，y)的r″作為此點(diǎn)的權(quán)重。邊緣點(diǎn)的權(quán)重應(yīng)在該點(diǎn)的鄰域內(nèi)沿方向的r″最大。使用Canny提出的非最大抑制法來(lái)判定預(yù)處理圖像中的邊緣點(diǎn)，并對(duì)所得邊緣點(diǎn)圖像進(jìn)行二值化，最后存儲(chǔ)得到的邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)和權(quán)重。

3.2 邊緣點(diǎn)的連接

通過(guò)觀察航拍采集圖像中人造目標(biāo)對(duì)象的輪廓曲線，可以看出其邊緣線一般由直線段和曲線段組合而成。故邊緣點(diǎn)應(yīng)該被連接成可區(qū)分直線段和曲線段的曲線結(jié)構(gòu)，這將對(duì)人造目標(biāo)對(duì)象的識(shí)別提供便利。

3.2.1 直線段與曲線段的分類

為區(qū)分直線和曲線，先從檢測(cè)到的邊緣點(diǎn)組中找到連接邊緣的種子點(diǎn)，再添加合適的后續(xù)點(diǎn)以連接成邊緣線，在連接過(guò)程中判斷出邊緣直線段和邊緣曲線段。在搜索過(guò)程中，把所得邊緣對(duì)象的邊緣像素點(diǎn)坐標(biāo)、中間點(diǎn)坐標(biāo)、起止點(diǎn)坐標(biāo)、邊緣長(zhǎng)度和是否為直線等信息存入一個(gè)區(qū)域管理結(jié)構(gòu)。

先找到最左上角的邊緣點(diǎn)作為搜索起始種子點(diǎn)，再按照從上到下從左到右的順序選取搜索種子點(diǎn)，把第一個(gè)從未連接過(guò)的邊緣點(diǎn)作為搜索種子點(diǎn)。因找到的種子點(diǎn)并非一定位于曲線的終端處，故在連接時(shí)分別按照和－方向搜索合適的后續(xù)點(diǎn)，并去除所有邊緣長(zhǎng)度較小的干擾曲線段。為了在最小鄰域內(nèi)給當(dāng)前曲線添加匹配曲線方向的曲線點(diǎn)，并剔除方向差異較大的點(diǎn)，按照下述所示順序優(yōu)先級(jí)搜索后續(xù)點(diǎn)。在找到合適的后續(xù)點(diǎn)后，接著通過(guò)曲線上的起始點(diǎn)和中點(diǎn)的連線與起止點(diǎn)連線的距離和夾角關(guān)系來(lái)判斷此條邊緣是直線段還是曲線段。

邊緣后續(xù)點(diǎn)的搜索順序優(yōu)先級(jí)為:首先在八鄰域內(nèi)搜索與曲線方向相匹配的點(diǎn);接著在十六鄰域內(nèi)搜索與曲線方向相匹配的點(diǎn);然后在八鄰域內(nèi)比較與曲線方向垂直的上下兩點(diǎn);最后在十六鄰域內(nèi)比較與曲線方向垂直的上下兩點(diǎn)。若最終沒(méi)有合適的點(diǎn)，結(jié)束此次搜索。搜索時(shí)利用式(9)所示一階濾波器來(lái)更快地校正當(dāng)前后續(xù)點(diǎn)的方向和消除噪聲的影響，即

3.2.2 類圓曲線的判定

利用類圓曲線判決算法從標(biāo)記為曲線的邊緣線組中尋找類圓曲線并標(biāo)記其曲線凸凹方向特征。在搜索過(guò)程中，把找到的類圓曲線的所有信息存入一個(gè)區(qū)域管理結(jié)構(gòu)，這些信息包括邊緣像素點(diǎn)坐標(biāo)和曲線凸凹方向特征。把邊緣的中間點(diǎn)坐標(biāo)和起止點(diǎn)坐標(biāo)分別用點(diǎn)M、點(diǎn)A和點(diǎn)B代替，直線段AM和MB的中點(diǎn)分別為點(diǎn)F和點(diǎn)E，直線段AM的中垂線EO和直線段BM的中垂線FO相交于點(diǎn)O。類圓曲線的圓心和半徑見(jiàn)圖3。

圖3 類圓曲線的圓心和半徑

類圓曲線判決算法的主要步驟為:

1)先判斷此邊緣AB與直線AB是否相交，邊緣曲線BM是否與直線BM相交，邊緣曲線MA是否與直線MA相交。若全否，則轉(zhuǎn)入步驟2)。

2)計(jì)算直線段AO，MO和BO的長(zhǎng)度并按從大到小的順序排序?yàn)閘AO，lMO和lBO。若滿足式(10)，則此邊緣線為類圓曲線，按圖3所示來(lái)計(jì)算它的類圓心和弧半徑，其弧半徑為lAO，轉(zhuǎn)入步驟3)。公式為

式中:lAO與lBO的差值絕對(duì)值的最大閾值為Dl。

3)接著判斷并記錄此類圓曲線的凸凹方向特征標(biāo)記，結(jié)束判斷。

4 曲線凸凹方向特征分析

在曲線識(shí)別中，類圓曲線是一種重要的人造對(duì)象的局部特征。按下述所示來(lái)判斷類圓曲線的類圓弧開(kāi)口方向的順序優(yōu)先級(jí)。首先，計(jì)算所有類圓曲線的凸凹方向特征。接著，尋找起止點(diǎn)間距小于等于2的所有弧線段，把其作為一條類圓曲線，即所有滿足此條件的弧線段的凸凹方向特征都是此條類圓曲線的凸凹方向特征。然后，按曲線凸凹方向特征標(biāo)記的個(gè)數(shù)對(duì)所有類圓曲線按降序排序，依次找到與曲線凸凹方向特征標(biāo)記最多的類圓曲線相互平行或?qū)ΨQ且未搜索過(guò)的類圓曲線，直至無(wú)符合條件的類圓曲線為止。

按圖4所示規(guī)則區(qū)分不同的圓弧，把一個(gè)圓形平均分為8等份。

圖4 曲線凸凹方向特征

從x軸正方向開(kāi)始，按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，把這8份弧線段分別標(biāo)記為 0，1，…，7，即其角度區(qū)間分別為［0°，45°］，［45°，90°］，［90°，135°］，…，［315°，360°］，那么曲線凸凹方向特征標(biāo)記的相關(guān)判斷規(guī)則為:

1)假設(shè)類圓曲線不僅長(zhǎng)度小于等于1/8個(gè)類圓周長(zhǎng)而且沒(méi)有穿過(guò)x正半軸，其起點(diǎn)與其圓心的連線和x正半軸之間的夾角為α，其終點(diǎn)與其圓心的連線和x正半軸之間的夾角為 β，且 α，β ∈［0°，360°］且 α ＜ β，那么曲線凸凹方向特征標(biāo)記分別為:若［α，β］?［0°，45°］，則標(biāo)記為0;若［α，β］?［45°，90°］，則標(biāo)記為1;若［α，β］?［90°，135°］，則標(biāo)記為2;依次類推，若［α，β］?［315°，360°］，標(biāo)記為7。

2)假設(shè)類圓曲線不僅長(zhǎng)度大于等于1/8個(gè)圓的周長(zhǎng)而且沒(méi)有穿過(guò)x正半軸，那么就在8個(gè)角度空間:［0°，45°］，［45°，90°］，［90°，135°］，…，［315°，360°］中尋找與此類圓曲線的［α，β］有交集的角度空間，接著把所有與其有交集的角度空間對(duì)應(yīng)的曲線凸凹方向特征標(biāo)記作為此曲線凸凹方向特征標(biāo)記。

3)假若類圓曲線穿過(guò)x正半軸，那么把它以此類圓弧與x正半軸的交點(diǎn)為分界點(diǎn)分成兩個(gè)類圓弧，再分別把這兩個(gè)類圓弧按規(guī)則1)和2)來(lái)計(jì)算類圓弧的開(kāi)口方向標(biāo)記，最終這兩個(gè)類圓曲線得到的所有曲線凸凹方向特征標(biāo)記就是它的曲線凸凹方向特征標(biāo)記。

通過(guò)上述曲線凸凹方向特征標(biāo)記可以判斷類圓曲線之間是否存在平行和對(duì)稱關(guān)系。假設(shè)第i個(gè)和第j個(gè)類圓曲線的曲線凸凹方向特征標(biāo)記分別為ArcIndi和ArcIndj，那么當(dāng)2個(gè)類圓曲線的凸凹方向特征標(biāo)記存在重疊或差值絕對(duì)值為1，2，6或7，即滿足式(11)和式(12)時(shí)，這2個(gè)類圓曲線屬于平行關(guān)系;當(dāng)2個(gè)類圓曲線的凸凹方向特征標(biāo)記的差值絕對(duì)值為3，4或5，即滿足式(13)時(shí)，這2個(gè)類圓曲線屬于對(duì)稱關(guān)系

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了證實(shí)本文所述方法是有效的，使用航拍圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)目測(cè)來(lái)判斷檢測(cè)準(zhǔn)確率。引流線圖像的分辨力為1280×720，絕緣子和均壓環(huán)圖像的分辨力為640×360。本文實(shí)驗(yàn)均在配置了 AMD QL－642.10 GHz的速龍雙核CPU的PC上運(yùn)行的。實(shí)驗(yàn)參數(shù)分別為:ω=0.57;對(duì)于引流線，Dl=100;對(duì)于均壓環(huán)，Dl=300;對(duì)于絕緣子，Dl=25。

圖5是實(shí)驗(yàn)用到的源圖像，其中圖5a是用于識(shí)別引流線的源圖像，圖5b是用于識(shí)別絕緣子和均壓環(huán)的源圖像。圖6是對(duì)圖5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的邊緣點(diǎn)圖像，其中圖6a是圖5a的邊緣點(diǎn)圖像，圖6b是圖5b的邊緣點(diǎn)圖像。圖7是對(duì)圖6進(jìn)行類圓部件曲線識(shí)別實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)到的三大類圓部件對(duì)象曲線。圖8是三大類類圓部件的檢測(cè)結(jié)果圖，其中圖8a是引流線的檢測(cè)結(jié)果圖，圖8b是均壓環(huán)的檢測(cè)結(jié)果圖，圖8c是絕緣子的檢測(cè)結(jié)果圖。

6 小結(jié)

本文提出了一種解決直升機(jī)巡檢中類圓部件的識(shí)別方法，這類航拍圖像受背景和光照的影響比較大，其解決方法是基于曲線聚類，其中曲線特征的提取是在文獻(xiàn)［6］的曲線提取方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，再對(duì)提取的曲線進(jìn)行凸凹特征分析。此算法在試驗(yàn)中效果良好，具有較好的穩(wěn)健性，將會(huì)應(yīng)用于直升機(jī)巡檢項(xiàng)目。本文提出的方法雖然會(huì)引起一些誤判，但是能實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別與診斷功能，在大量減少人工判斷的工作量和輔助人工判決上具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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