基于圖像處理的交流電纜附件安裝質(zhì)量校核方法

陳慶華,陳 杰,張 譽,賀子琦,李 敏

（國網(wǎng)長沙供電公司，湖南 長沙 430000）

1 引言

交流電纜附件安裝比普通電纜本體的安裝更加困難，因為電纜附件的架構(gòu)較為復(fù)雜，導(dǎo)致安裝難度也更高。在安裝的過程中，需要把工具放置在整潔、干燥的環(huán)境內(nèi)，在使用工具時，也需要遵循工具使用準(zhǔn)則。安裝電纜附件時，利用先進的工具和裝備，也可以提升安裝質(zhì)量的水平與效率。但由于交流電纜安裝，需要通過人工進行安裝，因此不可避免地產(chǎn)生了主觀意識強與經(jīng)驗依賴性的問題，很容易忽視細微問題，影響交流電纜附件安裝質(zhì)量。

文獻[1]提出一種基于圖像處理的檢測方法，利用壓接圖像灰度特征和幾何特征提取輸電線壓接痕跡，采用標(biāo)準(zhǔn)件法對電纜進行標(biāo)定，利用投影法實現(xiàn)壓接間距的測量。文獻[2]提出一種相位分割方法，同時結(jié)合多維尺度分析法(MDS)對特征值進行降維優(yōu)化，識別出具有較高分類能力的最優(yōu)特征量。但上述方法校核誤差較大。

針對上述問題，提出一種基于圖像處理的交流電纜附件安裝質(zhì)量校核方法，該方法通過分析交流電纜附件安裝流程，明確安裝的大體架構(gòu)與各部件之間存在的關(guān)聯(lián)，依靠非線性中值濾波算法與Otsu 算法剔除圖像噪聲，并轉(zhuǎn)換圖像為二值圖像，隨后利用灰度共生矩陣提出圖像特征，實現(xiàn)對交流電纜附件安裝質(zhì)量的校核。

2 交流電纜附件安裝質(zhì)量校核

2.1 交流電纜附件安裝過程分析

在交流電纜附件安裝過程中，需要按照交流電纜附件設(shè)定的大小，用合適的工具剔除剝離層，用玻璃板對半導(dǎo)體斷口100mm處進行處理。

在這個過程中，需要保證絕緣體不會受到損壞。對斷口也與上述相同，同時需要在玻璃片與電纜附件之間調(diào)整出10～15°的夾角，并且斷口的周圍要有40mm的錐面，保證錐面的整潔。此外，還要讓斷口處的電纜附件與平面軸存在90°的夾角。

圖1 電纜附件屏蔽層剔除尺寸

(1) 對于絕緣研磨，必須使用合適的工具進行加工，例如用于研磨電砂帶機，需要把砂帶圍繞在絕緣層的周圍，并且，還要確保砂帶能夠沿著電纜附件進行均勻的運動。絕緣層會出現(xiàn)一種橢圓的形狀，同時，保溫層表面應(yīng)平整干凈，避免劃傷等問題，利用清洗劑處理，再利用紗布第二次打磨。

(2) 電纜附件屏蔽層需要用240 目的紗布進行處理，然后再使用400 目的紗布二次處理，在打磨的過程中，紗布需要在屏蔽層的周圍反復(fù)移動，以防止屏蔽層出現(xiàn)燒焦的現(xiàn)象。另外，在打磨完成后，需要確保屏蔽層的表面是整潔光滑的，并且需要清洗電纜附件的表面，防止產(chǎn)生污染。

(3) 各部分的相互作用

交流電纜附件需要安裝牢固，所有啟動開關(guān)[3]需要運行可靠。范圍在20～200mm 時，需要測量電纜長度的最大許可相對誤差是±0.3%。將測長儀器檢測出的長度是L電纜附件的電纜附件一端固定在鑒定臺，另一端連接重錘以提升其張力來縮減電纜附件的彎曲量，測量獲得測量結(jié)果L鋼卷尺。測長儀[4]的測量性能校驗結(jié)果△L為：

2.2 交流電纜附件圖像預(yù)處理

通過CCD 相機采集交流電纜附件圖像，憑借預(yù)處理步驟從初始圖像內(nèi)收集清晰規(guī)整的電纜圖像。圖像預(yù)處理的效果直接干擾到交流電纜附件安裝的檢測結(jié)果。本文將圖像預(yù)處理分成：圖像去噪、二值化、分割與歸一化四步驟。

步驟1：圖像去噪

交流電纜附件圖像在采集的流程內(nèi)受到照明干擾、電纜表面清潔和噪聲。這些噪聲對電纜附件的檢測和提取帶來很大的干擾。其中最為主要的噪聲即離散的隨機噪聲[5]。利用非線性中值濾波方法處理噪聲，在保留初始圖像細節(jié)的同時，有效抑制噪聲的影響。

步驟2：圖像二值化

圖像二值化即圖像處理較為基礎(chǔ)的圖像分割算法。其就是將一幅圖像憑借一定的閾值分割成背景與對象[6]。本文利用Otsu 算法來確定閾值。其基礎(chǔ)的原理即：擬定一種離散概率密度函數(shù)：

其中，n代表總像素數(shù)，ng代表灰度級是rg的像素數(shù)，L就是產(chǎn)生的灰度級數(shù)。擬定一種閾值k，C0是圖像灰度級為[0，1，…，k-1]的像素，C1代表圖像灰度級是[k，k+1，…，L-1]的像素數(shù)。Otsu算法利用最大化類間方差的閾值將方差擬定成k。

步驟3：圖像分割

交流電纜附件圖像內(nèi)存在多個交流電纜附件，而電纜安裝特征識別只需要對單個電纜附件進行。為實現(xiàn)電纜附件安裝的特征識別[7]，需要對圖像內(nèi)的電纜附件進行分割處理。對于不同的處理對象，需要結(jié)合圖像的具體狀況與先驗知識進行挑選。鑒于上述電纜附件的特征，本文通過基于X，Y方向投影的算法進行處理，具體流程如下所示：

運算二值圖像沿方向的白像素[8]統(tǒng)計分布。

(1) 憑借Y方向的白像素統(tǒng)計分布，自下而上，依次掃描，同時選擇白像素數(shù)等于3 的臨界點，選出電纜附件的上下邊界。

(2) 運算二值圖像沿X方向的白像素的統(tǒng)計分布值。

(3) 憑借X方向的白像素統(tǒng)計分布由右至左依次掃描，選擇白像素數(shù)等于2的臨界點。判斷整體電纜附件的左右邊界。

(4) 在(3)所確定的左右邊界從左到右進行掃描，同時依靠白像素數(shù)等于2的電纜附件當(dāng)作間隔點，進而確定出所有電纜附件的左右邊界。

(5) 憑借所有電纜附件的高度與寬度坐標(biāo)分割單一電纜附件。

步驟4：圖像歸一化

電纜附件圖像通過分割處理之后，由于分割的算法不會確保所有電纜附件的大小相同，需要對分割之后的電纜附件進行歸一化處理，確保特征提取存在相同的基礎(chǔ)，采集的特征才能夠更加存在可比性。

電纜附件歸一化能夠分成非線性歸一化與線性歸一化。線性歸一化即對單一電纜附件圖像進行線性縮放處理，使其轉(zhuǎn)變成需要的尺寸。其優(yōu)勢是容易實現(xiàn)與操作簡單，而缺點即處理之后的電纜附件圖像容易出現(xiàn)失真的問題。非線性歸一化處理即憑借像素的分別進行縮放處理，使得像素在整體圖像內(nèi)能夠均勻分布。其優(yōu)勢即能夠一定程度地克服失真問題。缺點就是算法相較于線性方法較為復(fù)雜。對于電纜附件，使用線性歸一化就能夠獲得較好的結(jié)果。電纜附件圖像只存在電纜附件，本文通過線性歸一化算法把前述的電纜附件分割成25×16 的圖像。其算法原理即：擬定初始電纜附件圖像尺寸為m×n，某一點的坐標(biāo)是(x0，y0)，那么轉(zhuǎn)換之后的對應(yīng)坐標(biāo)點(x1，y1)就能夠描述成：

為了使失真的問題最小化，需要憑借差值算法加以優(yōu)化。

2.3 基于特征提取的交流電纜附件安裝質(zhì)量校核

為了得到適合檢測的交流電纜附件圖像紋理信息，通過特征識別或特征提取的方式對圖像進行處理。從某種意義上來說，特征提取或特征識別是為達到特征降維這一目標(biāo)。特征識別就是通過某種轉(zhuǎn)換組合形式，來提升初始高維特征，以獲取一組低維的紋理特征，而特征選擇則是憑借專家的經(jīng)驗或某個標(biāo)準(zhǔn)來選取出來的紋理特征，并沒有生成新特征。

在處理的過程中，能夠先把初始特征空間轉(zhuǎn)換成低維空間，即上述將初始圖像轉(zhuǎn)換成二值圖像。然后在二值圖像的空間中，依靠像素灰度共生矩陣，對像素進行降維與關(guān)聯(lián)計算，以此獲得圖像的紋理特征。

在二值化的電纜附件圖像內(nèi)，某個方向相距一段尺寸的灰度統(tǒng)計規(guī)律，可表示為部分紋理特征?；叶裙采仃囀窃诙A組合概率密度函數(shù)的基礎(chǔ)上，組建的一種紋理分析算法。

兩像素δ坐標(biāo)的關(guān)聯(lián)下會產(chǎn)生的灰度共生矩陣為Pδ。

而一旦出現(xiàn)共生矩陣，就能夠憑借共生矩陣的特征進行定義與驗證。由此能夠運算出慣性、熵與能量等紋理特征：

如果圖像內(nèi)不存在任何紋理，熵的值就會靠近零，假如圖像里存在大量的紋理信息，那么圖像內(nèi)的熵就會提升，同時紋理的溝紋就會變得越深，而圖像的視覺描述強度就會越發(fā)顯著。能量可以被描述成灰度分布是否均勻地測量閾值，從全局角度檢測圖像的灰度分布，如果能量較高，那么圖像的紋理就會越粗，通過能量與紋理的對比就能夠得出交流電纜附件是否存在缺陷。

2.4 交流電纜附件安裝校核結(jié)果不確定度評測

安裝現(xiàn)場周圍環(huán)境會對方法造成一定干擾，導(dǎo)致算法結(jié)果產(chǎn)生微小誤差，以下為微小環(huán)境不確定度的計算測評過程，加強最終校驗結(jié)果精準(zhǔn)度。

(1) 不確定度分量的運算

交流電纜附件質(zhì)量的數(shù)值顯示誤差在半寬為10mm中均勻分布，因此，交流電纜附件自動校核引入的不確定度u(LT1)是：

(2) 標(biāo)準(zhǔn)的讀數(shù)對誤差與本身的示值誤差能夠合并為一種綜合影響量，該影響量融入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Li)是：

(3) 交流電纜附件安裝校核的電纜與標(biāo)準(zhǔn)附件，需要處于相同環(huán)境條件溫度下，膨脹系數(shù)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(α)即：

(4) 校核交流電纜附件安裝的彎曲量是1mm/m，將其考慮為均勻分布，取半寬為0.5mm/m，那么標(biāo)準(zhǔn)的不確定度u(LT2)為：

(5) 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于上述的不確定度存在獨立且不相關(guān)性，因此這些不確定度的合成不確定度為：

(6) 擴展不確定度

采集包含因子k=2，存在U=uc(y)×k。

由于U≈18mm＜130m×±0.3%=90mm。

以此確定校核方法符合相關(guān)能夠有效完成校核。

3 實驗證明

實驗環(huán)境為：數(shù)字工業(yè)相機使用MVDC300 作為基礎(chǔ)，利用SDK 開發(fā)包作為圖像采集軟件，圖像的分辨率函數(shù)為Int16-SetwIndowMode，相機默認分辨率為640*512，顯示位置函數(shù)為：Int16MV-SetDisplayWindow，數(shù)據(jù)讀取以BGR作為數(shù)據(jù)格式，同時相機的參數(shù)擬定為0。

其中圖3 和圖4 是現(xiàn)場采集的兩張待校核圖像，通過對比能夠清楚地看出，本文方法處理后圖像邊緣清晰，細節(jié)信息也沒有丟失，這是因為使用二值化以及歸一化處理，大幅度降低了圖像噪聲，可為后期校核提供有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3 預(yù)處理前采集圖像

圖4 預(yù)處理后待校驗圖像

從圖5中能夠看出，紅線標(biāo)記區(qū)域為通過灰度共生矩陣得出的缺陷特征，其中導(dǎo)體接頭沒有連接壓實，沒有緊密捆綁絕緣體，為安裝事故；另一處捆綁絕緣體但未正確連接，也存在安全隱患，需要工作人員進行重新的安裝和檢驗。

圖5 校驗結(jié)果

4 結(jié)束語

文章提出一種基于圖像處理的交流電纜附件安裝質(zhì)量校核方法，通過實驗?zāi)軌虻弥?，該方法校核效果?yōu)良，可加強安裝質(zhì)量。但由于所提方法是基于現(xiàn)場交流電纜附件安裝質(zhì)量的圖像校驗，需要拍攝連續(xù)圖像，很容易出現(xiàn)遺漏問題，因此下一步研究課題為：拍攝視頻，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練得出最優(yōu)校驗結(jié)果，幫助節(jié)省工作量和工作時間。