楊文超，鄭 健，王 雪，郝子堯

（三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443000）

0 引 言

在高壓輸電線(xiàn)路中，絕緣子長(zhǎng)期處于復(fù)雜惡劣的自然環(huán)境，常常會(huì)受到覆冰、雷擊以及溫度驟變等影響而發(fā)生一些故障。為確保輸電線(xiàn)路的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)運(yùn)行部門(mén)會(huì)定期巡檢并維修輸電線(xiàn)路。傳統(tǒng)的人工巡檢存在巡檢強(qiáng)度大、效率低、危險(xiǎn)系數(shù)高以及巡檢質(zhì)量不能得到保障等許多問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，考慮通過(guò)遠(yuǎn)程智能巡檢系統(tǒng)拍攝輸電線(xiàn)路現(xiàn)場(chǎng)圖片來(lái)代替人工巡檢，采用基于數(shù)字圖像處理的機(jī)器視覺(jué)算法得到絕緣子串珠清晰的掩模圖像，從而精確地標(biāo)注絕緣子缺陷部位[1]。

1 絕緣子串珠分割

高壓輸電線(xiàn)路往往處在復(fù)雜多變的自然環(huán)境中。光照變化復(fù)雜，叢林、高山以及草地遍布其中，拍攝圖片的背景顏色與絕緣子串珠的顏色十分相近，因此很難完全濾除背景干擾[2]。再加上拍攝角度的不同，使得不同圖像中絕緣子的形狀不同，這就決定了不能使用傳統(tǒng)的提取絕緣子邊緣算法濾除背景?；谝陨想y題，本文提出采用Lab空間模型和灰度空間模型最大類(lèi)間方差閾值分割的結(jié)果進(jìn)行“圖像與”運(yùn)算，濾除背景干擾，得到清晰的掩模圖像。算法分割的主體為自然環(huán)境下的絕緣子串珠。絕緣子缺陷原圖如圖1所示。

圖1 絕緣子缺陷原圖

由于輸電線(xiàn)路中的絕緣子本身有著獨(dú)特的顏色特征，所以可以先采用Lab色彩空間模型分割圖像[3]。Lab色彩空間模型將亮度分量L通道單獨(dú)分離出來(lái)，大大減少了光照變化對(duì)圖像分割效果的影響，使其提取的顏色特征比較穩(wěn)定?？梢韵葘D像轉(zhuǎn)換到Lab空間，從中提取出a空間的圖像并對(duì)其進(jìn)行最大類(lèi)間方差閾值分割。使用a空間模型后，因?yàn)楹芏鄻?shù)木的顏色和絕緣子串珠的顏色幾乎相近，所以仍然有很多背景干擾無(wú)法濾除，因此需要結(jié)合灰度空間模型最大類(lèi)間方差閾值分割來(lái)濾除剩余干擾[4]。處理后的效果如圖2所示。

2 絕緣子自爆識(shí)別和定位

2.1 絕緣子串起點(diǎn)和終點(diǎn)的確定

由于絕緣子分布在兩條直線(xiàn)上，故可以采用最小二乘法直線(xiàn)擬合，將絕緣子串分成兩部分進(jìn)行處理[5]。遍歷圖像，將白色像素值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)用(xi,yi)存儲(chǔ)起來(lái)，當(dāng)作直線(xiàn)擬合的采樣點(diǎn)，通過(guò)最小二乘法直線(xiàn)擬合得到該直線(xiàn)的方程y=kx+b。沿著擬合的直線(xiàn)掃描絕緣子的像素點(diǎn)，對(duì)每一個(gè)白色像素點(diǎn)都尋找一條經(jīng)過(guò)該像素點(diǎn)且與擬合直線(xiàn)垂直的直線(xiàn)y=mx+n[6]。設(shè)定一個(gè)掃描的閾值為T(mén)hreshold，如圖3所示，在閾值范圍內(nèi)沿著y=mx+n方向掃描像素點(diǎn)，直到掃描到第一個(gè)絕緣子的中心為止，從而找到絕緣子串的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

圖2 絕緣子串珠進(jìn)行圖像處理后的掩模圖

圖3 絕緣子串直線(xiàn)擬合示意圖

2.2 每一個(gè)絕緣子中心坐標(biāo)和區(qū)域坐標(biāo)的確定

如圖4所示，O點(diǎn)為絕緣子中心點(diǎn)，S點(diǎn)為絕緣子串起始點(diǎn)，E點(diǎn)為絕緣子串的終點(diǎn)，A、B、C、D為絕緣子矩形區(qū)域的頂點(diǎn)。根據(jù)幾何關(guān)系可以得到第i個(gè)絕緣子的中心點(diǎn)O的坐標(biāo)，以及矩形區(qū)域4個(gè)頂點(diǎn)的坐標(biāo)[7]。采用此模型標(biāo)記出來(lái)的結(jié)果如圖5所示。

圖4 絕緣子串示意圖

2.3 絕緣子自爆缺陷的定位

圖5 絕緣子串掩模圖像區(qū)域標(biāo)記圖

通過(guò)設(shè)定每個(gè)區(qū)域內(nèi)白色像素點(diǎn)的數(shù)目閾值來(lái)判斷某個(gè)絕緣子是否有缺陷。設(shè)定閾值如下式：

式中，N表示絕緣子的個(gè)數(shù)；count表示沿著y=mx+n方向統(tǒng)計(jì)1白色像素點(diǎn)的數(shù)目；m表示絕緣子區(qū)域的高度；length表示絕緣子串的長(zhǎng)度[8]。

若某區(qū)域像素點(diǎn)大于閾值，則表示無(wú)缺陷；若某區(qū)域像素點(diǎn)小于或等于閾值，則表示存在缺陷[9]。缺陷判斷依據(jù)如下式：

采用上述算法定位存在缺陷的絕緣子，如圖6所示?？梢?jiàn)，該模型可以準(zhǔn)確定位存在缺陷的絕緣子。

圖6 絕緣子缺陷定位圖

3 Dice系數(shù)評(píng)價(jià)方案

絕緣子缺陷識(shí)別與定位采用Dice系數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)計(jì)算兩個(gè)樣本的相似度，從而得到評(píng)價(jià)系數(shù)，公式為：

其中，A表示專(zhuān)業(yè)人士標(biāo)注的區(qū)域，B表示采用上述算法所得到的區(qū)域。經(jīng)計(jì)算得Dice=0.986，由此可看出采用上述圖像識(shí)別算法標(biāo)記出來(lái)的區(qū)域與專(zhuān)業(yè)人士標(biāo)記出來(lái)的區(qū)域相似度極高[10]。故采用此模型算法可以得到清晰掩模圖像并精確地識(shí)別定位絕緣子缺陷部位。

4 結(jié) 論

以“宜昌—上?！陛旊娋€(xiàn)路中的絕緣子為研究對(duì)象。利用Lab色彩空間模型結(jié)合灰度空間模型中的最大類(lèi)間方差閾值分割來(lái)濾除圖像背景干擾，得到清晰絕緣子串的掩模圖像。根據(jù)得到的絕緣子串建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)每個(gè)絕緣子進(jìn)行矩形區(qū)域分割并得到白色像素點(diǎn)的閾值。若某絕緣子對(duì)應(yīng)的矩形區(qū)域內(nèi)的白色像素點(diǎn)數(shù)小于閾值，即可判斷該絕緣子存在缺陷。經(jīng)過(guò)評(píng)價(jià)模型的檢驗(yàn)可知，本文采用的模型可以精確定位絕緣子自爆缺陷部位。