文/陳鳳翔 劉博迪 方廣東

1 引言

隨著工業(yè)用電和人民生活用電量的不斷增加，我國(guó)的電力設(shè)施建設(shè)不斷增加。我國(guó)的高壓輸電線不斷應(yīng)用在遠(yuǎn)距離電力輸送中，這種高壓和特高壓的輸電線路對(duì)于我國(guó)電力資源的輸送具有重要的作用。但是輸電線暴露在大氣環(huán)境中，承受大量的自然和認(rèn)為的影響。因此需要定期對(duì)電力線路進(jìn)行巡查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)線路故障，保障工業(yè)和人民生活正常用電。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，傳統(tǒng)的巡線方式已經(jīng)不適用于目前的巡線工作，機(jī)器視覺處理技術(shù)的快速發(fā)展，促使了無(wú)人機(jī)巡線技術(shù)的快速發(fā)展。

表1：峰值信噪比對(duì)比

2 無(wú)人機(jī)巡線關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無(wú)人機(jī)巡線特點(diǎn)

隨著無(wú)人機(jī)飛行技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展，采用無(wú)人機(jī)巡線技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用在電力巡線領(lǐng)域。固定翼型無(wú)人機(jī)在日常巡線過程中較為常用，該機(jī)型的巡航速度在90-250km/h，可以采用手動(dòng)或自動(dòng)巡航模式，機(jī)動(dòng)性較好，但是固定翼無(wú)人機(jī)只能按照單向巡航，且無(wú)法懸停。四旋翼無(wú)人機(jī)是直升機(jī)的變形，動(dòng)力源依靠多個(gè)螺旋翼提供，由于機(jī)型小、占用空間小、可以在空中懸停的特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用在電力巡檢中，但是四旋翼無(wú)人機(jī)也具有質(zhì)量輕、強(qiáng)風(fēng)中工作不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。無(wú)人駕駛型直升機(jī)利用程序自動(dòng)控制飛行，依靠螺旋槳提供動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)直接起降、懸停拍攝。

由于不同類型的無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)和適用的場(chǎng)景不同，因此針對(duì)不同的電力線路狀況，采取不同的無(wú)人機(jī)組合進(jìn)行電力巡檢，目前主要采用固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人駕駛直升機(jī)組合以及固定翼無(wú)人機(jī)和四旋翼無(wú)人機(jī)組合的兩種無(wú)人機(jī)巡線組合方式。

表2：峰值信噪比對(duì)比

2.2 無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)分析

圖1為無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)組成，無(wú)人機(jī)飛行控制系統(tǒng)是無(wú)人機(jī)的大腦，主要控制無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)和巡航的狀態(tài)。無(wú)人機(jī)定位系統(tǒng)主要控制無(wú)人機(jī)的巡航線路，通過GPS導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)巡航線路進(jìn)行定位，通過數(shù)據(jù)重構(gòu)技術(shù)進(jìn)行行程的三維圖形識(shí)別。圖像采集模塊主要對(duì)航拍圖像進(jìn)行處理，主要包括濾波、去重復(fù)和邊緣檢測(cè)等內(nèi)容，空地通信模塊主要起到信息傳遞和診斷作用。

表3：峰值信噪比對(duì)比

3 航拍電力線路圖像處理方法

3.1 視頻去噪處理

無(wú)人機(jī)拍攝的視頻主要存儲(chǔ)在視頻中的關(guān)鍵幀中，對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝視頻的處理就是對(duì)其關(guān)鍵幀的處理，無(wú)人機(jī)在拍攝過程中受到拍攝環(huán)境、儀器缺陷、采光等因素的影響，因此對(duì)于無(wú)人機(jī)拍攝的視頻的需要進(jìn)行除噪處理，提高圖像的品質(zhì)。本文對(duì)比均值濾波、中值濾波和和維納濾波技術(shù)去噪效果。均值濾波通過對(duì)濾波模板內(nèi)像素取均值，隨后將待處理的像素點(diǎn)采用像素均均值進(jìn)行替換，采用函數(shù)表示為：

圖1：無(wú)人機(jī)控制系統(tǒng)

其中n為模板中像素?cái)?shù)。模板相應(yīng)系數(shù)為：

中值濾波通過對(duì)領(lǐng)域像素排序，對(duì)孤立點(diǎn)的像素進(jìn)行排除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噪聲抑制和圖像細(xì)節(jié)的統(tǒng)一，函數(shù)表示為：

其中p(x,y)和d(x,y)表示為視頻幀原圖像和去噪后的圖像。

維納濾波是一種典型的線性濾波，主要用來提取被噪聲污染的圖像，主要處理方法是求取一個(gè)正常圖像f的估計(jì)值計(jì)算f和的均方差，求取其最小值min e2。濾波方法如下所示，求取pxy得灰度值：

其中v2為噪聲方差，利用替代原始灰度值f(x,y)。

圖2：航拍圖像處理效果圖

3.2 算法實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

3.2.1 均值濾波結(jié)果

通過對(duì)混合有高斯噪音和混合噪音的圖像進(jìn)行均值濾波處理，選擇3*3模板和5*5模板，對(duì)比兩種噪聲處理結(jié)果如表1所示。

通過表1可以看出采用5*5模版時(shí)結(jié)果較好，特別是處理高斯噪聲時(shí)，效果相對(duì)于混合噪聲更好，但是對(duì)于高斯噪聲濾波處理之后導(dǎo)致圖像變得模糊，因此導(dǎo)致了圖像的進(jìn)一步處理，由此表明，采用均值濾波對(duì)圖像進(jìn)行處理并不完全適用于航拍圖像。

3.2.2 中值濾波

通過采用中值濾波技術(shù)對(duì)混合有高斯噪音和混合噪音的圖像進(jìn)行均值濾波處理，選擇3*3模板和5*5模板，對(duì)比兩種噪聲處理結(jié)果如表2所示。

通過表2可知，中值濾波處理噪聲圖像的效果也非常不理想，但是相對(duì)于均值濾波來說處理效果較差，雖然采用中值濾波處理孤立噪聲點(diǎn)較為優(yōu)良，對(duì)于高斯噪聲和混合噪聲的處理效果非常不理想，由此表明采用中值濾波處理航拍視頻也不是最優(yōu)良的方案。

3.2.3 維納濾波

通過采用維納濾波技術(shù)對(duì)混合有高斯噪音和混合噪音的圖像進(jìn)行均值濾波處理，選擇3*3模板和5*5模板，對(duì)比兩種噪聲處理結(jié)果如表3所示。

采用維納濾波技術(shù)處理混合噪聲較為理想，可以極大程度上去除多余的噪音，并且對(duì)于圖像的細(xì)節(jié)可以更好的保留，對(duì)于圖像的后續(xù)處理更為方便可靠。通過對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，維納濾波處理圖像噪音的效果較好。

4 復(fù)雜背景下電力線路提取、識(shí)別和跟蹤

4.1 圖像分割

圖像分割技術(shù)是根據(jù)既定的分割規(guī)則，將圖像分割成獨(dú)立的區(qū)域。在一幅圖像上，我們往往只關(guān)注紋理、顏色和灰度等與周圍具有一定區(qū)別區(qū)域的特征，往往這些區(qū)域的差別非常小，因圖像分割主要就是將這些區(qū)域識(shí)別出來。本文對(duì)Roberts算子、LOG算子、Canny算子和改進(jìn)Canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

如圖2所示，Roberts算子的電力線的提取效果最差，主要是由于Roberts算子沒有降噪平滑處理導(dǎo)致的；LOG算子受噪聲的影響較小，主要是LOG算子提前做了高斯濾波處理，但是電力線邊緣的較為模糊；Canny算子提取的效果相對(duì)于Roberts算子和LOG算子稍微好一些，但是背景和輸電線的區(qū)分不是十分明顯，并且像素點(diǎn)過于堆積；改進(jìn)Canny算子，較好的提取邊緣，并且對(duì)于噪聲較好的進(jìn)行了抑制。通過對(duì)圖像分割發(fā)現(xiàn)，采用一種算子進(jìn)行圖像提取，效果往往達(dá)不到要求，還需要進(jìn)一步進(jìn)行處理。

4.2 電力線算法提取

通過圖像分割中圖像邊緣提取之后發(fā)現(xiàn)，需要進(jìn)一步采取圖像處理技術(shù)進(jìn)行圖像處理。算法的處理效果主要通過以下兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)：首先是邊緣點(diǎn)的檢測(cè)數(shù)量；其次是線型分布是否平滑。由圖3a可以看出采用Hough變換算法提取電力線較為不完整，主要是Hough變換對(duì)于強(qiáng)對(duì)比度的圖像提取不完整；圖3b采用相位編組融合算法與Hough算法恰恰相反，相位編組融合算法對(duì)于低對(duì)比度的圖像敏感度較高，因此提取的線形較為平滑，穩(wěn)定度相對(duì)較高，但是此種算法提取出道路邊緣，干擾性較大；圖3c為采用融合算法的實(shí)驗(yàn)圖，如圖所示，該算法對(duì)于電力線的提取程度較為完整，兼有兩種算法的優(yōu)點(diǎn)。

5 總結(jié)

本文基于機(jī)器視覺得無(wú)人機(jī)電力巡檢工作，分析了無(wú)人機(jī)尋線關(guān)鍵技術(shù)、無(wú)人機(jī)巡線系統(tǒng)關(guān)鍵問題、航拍電力線路圖像處理方法三方面的內(nèi)容。根據(jù)各種類型無(wú)人機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)采用固定翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人駕駛直升機(jī)組合以及固定翼無(wú)人機(jī)和四旋翼無(wú)人機(jī)組合的兩種無(wú)人機(jī)巡線組合方式較為符合目前我國(guó)的電力線路實(shí)際情況；采用維納濾波處理圖像噪音的效果相對(duì)于均值濾波和中值濾波效果更好；采用一種算子進(jìn)行圖像提取，效果往往達(dá)不到要求，還需要進(jìn)一步進(jìn)行處理，Hough變換和相位編組融合算法對(duì)于電力線的提取程度較為完整，兼有兩種算法的優(yōu)點(diǎn)。