（农业电气化与自动化专业论文）基于图像处理技术的绝缘子裂纹识别研究.pdf

江苏大学高校教师硕士擘位论文 摘要 大力发展输电线路自动化巡检机器人，以减轻输电维护人员的劳动强度，提 高巡检效率与质量，对输电工程的安全可靠运行具有重要意义本论文主要研究 了超高压输电线巡检作业机器人研制项目中的视觉模拟工作，通过模拟视觉系 统，获取绝缘子图像，基于图像处理与识别技术，判断图像中是否存在裂纹、完 成对裂纹分类识别，从而及时准确地掌握输电线路中绝缘子的状态信息，为后续 绝缘子故障处理提供必要的依据。本文所做的工作主要有以下几个方面： 首先，从理论上提出裂纹图像自动检测与识别的系统平台，硬件系统实现了 绝缘子的图像采集。 其次，研究均值滤波、中值滤波及自适应滤波三种滤波方法的特点，针对噪 声特点及图像特征，有效地滤除噪声，初步实现图像的减噪、平滑增强目的。 然后，运用边缘检测方法提取图像的边缘，提出基于边缘特征的差影方法对 裂纹图像提取。叙述了基于梯度的检测算子、l o g 算子、c a n n y 边缘检测及小波 多尺度边缘检测等原理，进行仿真实验、分析，得到较为清晰图像的轮廓。针对 裂纹图像的特征，运用差影法获得裂纹图像，采用分块分割处理及破损度鉴别技 术，得到1 6 x 1 6 块消除了“孤立点的裂纹特征图像，它能有效反映原图特征。 最后，构建三层b p 神经网络分类器对绝缘子图像中裂纹类型进行识别。对 裂纹图像的特征进行提取，提取出四个具有代表性的特征：含裂子图像块的数目、 图像中连通总数、图像在水平方向和垂直方向上投影的差分累加，它们能够很好 的反映图像裂纹的信息。以这四个特征作为输入，设计了三层b p 神经网络，网 络的输出为裂纹的四种类型：采用三种改进b p 算法进行分类识别，通过改变隐 含层节点数，对比了各分类器识别结果。该系统在实验阶段已达到设计要求，能 识别绝缘子裂纹类型，识别正确率可达到9 1 5 ，能够满足对裂纹类型的自动分 类的需求。 本文运用图像处理、模式识别、神经网络等技术实现了绝缘子裂纹图像获取、 裂纹特征表征及类型的识别。全文用由m a t l a b 软件编程实现。 关键词：图像处理，图像平滑，边缘检测，模式识别，神经网络，特征提取 江苏大学高校教师硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to ft h ep a t r o lr o b o tf o ra u t o m a t i ct r a n s m i s s i o nl i n e i st oe a s e p e o p l e sw o r kc o n d i t i o n , i m p r o v et h ep a t r o le f f i c i e n c ya n dt h es a f eo p e r a t i o no ft h e p o w e rs u p p l y t h ep a t r o lr o b o t sv i s i o ns i m u l a t i o ns y s t e m st a s kf o rh v p o w e rl i n e i n s p e c t i o nw a sp r e s e n t e di n t h ep a p e r t h e i n s u l a t o ri m a g e sw e r eo b t a i n e db y s i m u l a t i n gv i s i o ns y s t e mo ft h er o b o t t h ei m a g e sw e r ep r o c e s s e db a s e do ni m a g e p r o c e s s i n ga n dr e c o g n i t i o n ，t h e nt h ec r a c k sc a nb ed e t e c t e da n dt h ec l a s s i f i c a t i o n so f t h ec r a c k sw e r ef i n a l l ya c h i e v e d t h em a i nw o r kh a sb e e nd o n ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , as y s t e mp l a t f o r mo ft h ea u t o m a t i cc h e c k i n ga n dr e c o g n i t i o no ft h e i n s u l a t o rc r a c ki m a g e0 1 1t h c o r e t i c sw a sb r o u g h t t h eh a r d w a r ew a sd e s i g n e dt o a c q u i r et h ei n s u l a t o ri m a g e s e c o n d l y , t h r e em e t h o d s & r es t u d i e do ni m a g ef i l t e r , i n c l u d i n gm e a nf i l t e r i n g ， m e d i a nf i l t e r i n ga n da d a p t i v ef i l t e r i n g t h e ya 陀u s e dt od e a l 诵t ht h ei m a g ei no r d e r t os t r e n g t h e nt h ei m a g e t h ea p p r o p r i a t es e l e c t i o no fi m a g es m o o t h i n gm e t h o di s b a s e do ni m a g ef e a t u r e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h en o i s e t h i r d l y , t h ee d g ed e t e c t i o nm e t h o d sw e r ea d o p t e di no r d e rt oo b t a i nt h ei m a g e e d g e i tb r i n g sf o r w a r da ni m a g es u b t r a c t i o ne x t r a c t i o nm e t h o db a s e do i lt h ec r a c k s e d g ec h a r a c t e r i s t i c s t h ee d g eo ft h ei m a g ew a sd e t e c t e db a s e do nav a r i e t yo f m e t h o d s ，i n c l u d i n gg r a d i e n t - b a s e de d g ed e t e c t i o n , l o go p e r a t o r , c a n n ye d g e d e t e c t i o na n dw a v e l e tm u l t i s c a l ee d g ed e t e c t i o n t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n tw e r e c o m p a r e d t h ec r a c ki m a g e sw e r eo b t a i n e db yu s i n gs u b t r a c t i o nm e t h o d t h e n ，t h e o r i g i n a li m a g ei ss e p a r a t e di n t oa ni m a g eo ft h e16 x16b i n a r yf e a t u r e si m a g e ，w h i c h i se l i m i n a t e d ”i s o l a t e d ”p o i n tb yt h ed i s r e p a i re x t e n tt e c h n o l o g y l a s t l y , t h et h r e e l a y e rb pn e u r a ln e t w o r kw a sc o n s t r u c t e dt or e c o g n i t i o nc r a c k i m a g eo nt h ei n s u l a t o r f o u rf e a t u r e sw e r ee x t r a c t e dt of o r mt h ef e a t u r ev e c t o r , w h i c h i n c l u d e st h en u m b e ro ft h ed i s r e p a i rs u b i m a g e ，c o n n e c t i o n , h o r i z o n t a lp r o j e c t i o n v a r i a n c e ，v e r t i c a lp r o j e c t i o nv a r i a n c e ，a n dt h ec r a c ki m a g e si n f o r m a t i o nc a l lb e r e f l e c t e d at h r e e l a y e rb pn e u r a ln e t w o r ku s i n gt h e s ef o u rf e a t u r e sa st h ei 1 1 p u ta n d 江苏大学高校教师硕士学位论文 f o u rt y p eo fc r a c ka st h eo u t p u tw a sd e s i g n e d i nt h eb pn e u r a ln e t w o r k , t h r e e i m p r o v i n gm e t h o & w e r es t u d i e di no r d e rt os o l v et h ec o n v e n t i o n a lb pa l g o r i t h m s h o r t c o m i n g s i t ss h o w nt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h i sn e u r a ln e t w o r kc a r lp e r f e c t l y m a t c ht h eu s a g e t h eb pn e u r a ln e t w o r kw e l la c h i e v e st h ec l a s s i f i c a t i o n so fc r a c k s a n dt h ew h o l ea c c u r a f yi s91 5 t h i sp a p e rs t u d i e sh o wt or e a l i z et h ea c q u i s i t i o ni n s u l a t o rc r a c ki m a g ea n dt h e r e c o g n i t i o no ft h ec r a c kc l a s s i f i c a t i o n sb yt h et e c h n o l o g yo fi m a g ep r o c e s s i n g ，p a t t e r n r e c o g n i t i o n , n e u r a ln e t w o r k a l lp r o g r a m sa r ed e s i g n e db ym a t l a bl a n g u a g e k e yw o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g es m o o t h i n g ，e d g ed e t e c t i o n ，p a t t e r nr e c o g n i t i o n ， n e u r a ln e t w o r k ，f e a t u r ee x t r a c t i o n i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囹。 学位论文作者签名：泓和 签字日期：加7 ，2 上弓 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 签字日期： 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：多移 醐：1 年l 工月 日 江苏大学高校教师硕士学位论文 1 1 课题研究背景及意义 1 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 我国电网正处于快速、健康、持续发展的新时期。以三峡电网为中心，电网 互联，形成全国统一大电网的局面将很快形成。截至2 0 0 3 年底，我国6 6 k v 及 以上的输电线路总长度约为3 8 6 万公里，其中5 0 0 k v 超高压线路约计4 万公里， 它是我国电力系统的主网架，超高压线路安全经济运行将为我国经济建设提供坚 强的电力保证。 超高压输电线路( 导线、绝缘子等) 由于长期在室外环境下运行，在巨大的张 力、气温变化，闪电、飞行物撞击以及老化、锈蚀等影响下，会出现输电线路断 丝断股破损、绝缘子破坏、间隔棒脱离等情况，若不及时发现和修复处理，最终 会导致输电线路的破断，造成大面积停电和巨大的经济损失。超高压输电线路的 巡检是输电工程运行与维护的重要工作。 目前在我国，超高压线路的巡检、维护基本上还是采用人工沿线逐塔巡视的 作业方式，人工带电在高空下，登杆作业、作业条件恶劣、劳动强度大、精神高 度紧张，容易引发人身伤亡事故。随着机器人技术的发展与社会需求的高涨，应 用于高度危险、恶劣环境下的危险作业机器人是继工业机器人后，发展最快、应 用最广的一种机器人，也是最容易为社会各界普遍接受、欢迎与重视的机器人。 许多国家都在大力发展电力线路自动化巡检技术装备，以减轻输电维护人员 的劳动强度与难度，提高巡检效率与质量，提高电力供应的安全运行能力。高压 及超高压输电线的巡检作业机器人，在高压电器设备上进行自动化巡检，进行不 停电检测的作业，提高供电可靠性，其经济效益和社会效益都是十分巨大的。目 前，国外已在7 5 0 k v 和11 5 0 k v 电压等级的超高压、特高压系统中成功地运用机 器人作业。国内自8 0 年代中期后，由于国家高技术研究发展计划( 即8 6 3 计划) 专项支持，危险作业机器入得到了极大地发展。围绕电力系统输电与配电，研制 出了能在高压、超高压危险环境下，完成带电巡检与修复作业的系列“电力作业 机器人【l 捌 。2 0 0 5 年山东科技大学和天津市电力公司经过三年的努力，成功研制 江苏大学高校教师硕士学位论文 l o k v 电力线路带电作业机器人，填补了国内带电作业机器人的空t j 3 4 1 。同年1 0 月，国内第一台“变电站设备巡检机器人一在5 0 0 k v 长清变电站成功投入运行， 巡检效能可与人工相媲美。2 0 0 6 年底中国科学院沈阳自动化研究所研制成功具 有自主知识产权的“超高压输电线路巡检机器人一 高压输电线路是长距离输送电力的重要设备，主要包括输电导线及其金具、 绝缘子串组合、杆塔和地基，以及输电线路的安全通道。绝缘子在输电线路中占 有重要地位，它是将导线绝缘地固定和悬吊在杆塔上的物件，其运行状况的好坏 直接关系到电网的安全与否【5 l 。截至2 0 0 3 年底，我国输电线路上投入运行的绝 缘子总数( 复合绝缘子按相应的盘形绝缘子数折算) 约为5 7 0 0 万片。在长期的 运行中，绝缘子会受到雷击、污秽、鸟害、冰雪、高湿、温差等环境因素的影响， 在高压输电线路中是易损坏的一个重要元件。一旦有绝缘子破损，就会丧失绝缘。 或导致供电中断，严重时甚至造成电网解裂，给国民经济造成严重损失。 近几年来，国家电力公司系统接连发生了多起运行中的高压支柱瓷绝缘子断 裂( 包括折断和开裂) 事故【6 】，给电力系统正常运行和人身安全带来危害。2 0 0 1 年3 月1 3 日1 2 时3 0 分，沈阳供电公司2 2 0k v 文成变电站2 号主变压器2 2 0k v 侧东隔离开关c 相瓷柱出现裂纹并发生倾斜，使文成变电站全站停电。2 0 0 5 年 1 1 月在短短的2 0 天的时间内河北省的沧州、衡水、邯郸三局的变电站接连发生 支柱断裂重大事故，导致了整个站的停电重大事故，这些高压支柱瓷绝缘子开裂、 断裂事故的发生给电网的安全稳定运行和工作人员人身安全带来严重的危害。由 此看出绝缘子的及时保养维护极为重要，如果能够在裂纹出现的初期就能够被发 现，并及时跟踪它的发展情况，那么不仅能够减少险情的发生，同时也大大降低 维护的费用和工作量。由于输电线路距离长经过的地势复杂，人工巡检工作量 大而艰苦，效率低下。因此，高压输电线带电作业机器人的研制和开发有很大的 市场前景。 输电线路绝缘子由绝缘材料和金属附件组合构成，按绝缘体材料种类可分为 瓷绝缘子、玻璃绝缘子和硅橡胶合成绝缘子三类；按其结构形式可分为柱式、针 式、碟式、盘形悬式和棒形悬式等。瓷绝缘子因结构简单、机械强度高以及良好 的耐老化性能被广泛应用在输电线路中。瓷质绝缘子在出厂前经过了严格的电气 和力学性能测试，但挂网后，因长期受机电负荷、日晒雨淋、风吹雷击、温度变 2 江苏大学高校教师硕士学位论文 化等环境因素的影响，导致绝缘子机电性能下降，常发生瓷件积污闪络、开裂破 损等缺陷引起线路故障。 目前，挂网绝缘子运行状况的检测方法有【7 ，s 9 1 ：( 1 ) 用短路叉、火花间隙放 电叉或绝缘子串电压分析仪等人工登杆塔方法。这种传统的绝缘子检测方法不仅 劳动强度大、安全性差、效率低，而且受电磁干扰等原因，易造成误检或漏检。 ( 2 ) 采用红外热成像技术的无损非接触检测t l o , l l 】。故障绝缘子与正常绝缘子的表 面热场分布不同，根据被动红外成像中是否出现异常热像特征即可判断绝缘子是 否出现故障。由于绝缘子红外热像受绝缘子表面发射率、绝缘子负荷等级、检测 距离、大气吸收、天气和红外检测仪器等多种因素的影响，其探测精度和准确性 有待进一步提高。( 3 ) 超声技术【1 2 1 。将超声波以一定角度照射绝缘子引起绝缘子 产生微弱振动，由于破损绝缘子的振动特性有别于完好绝缘子，通过分析接收到 的绝缘子超声回波的特征，既可判断瓷体是否存在裂纹和绝缘子不同材料的结合 状态。通常使用带电操作杆将超声换能器接近待检绝缘子，此种方法工作效率低， 安全性差。 k i k u c h it 等提出了一种远距( 5 0 m ) 超声检测方法【1 3 j ，通过向绝缘 子发射超声波激起绝缘子产生微小振动，用激光多普勒仪获取绝缘子振动信号并 进行频谱分析，从而判定绝缘子是否开裂以及开裂程度。 绝缘子破损裂纹视觉检测是一种非接触检测方法，它利用c c d 摄像机获取待 检测绝缘子的一幅或多幅图像，通过图像分析与处理，判断绝缘子外表破损和表 面积污程度、绝缘子串单串的缺损等表面缺陷，为挂网绝缘子破损检测提供了一 种新的手段。 本论文的课题来源为：国家8 6 3 基金项目“高压输电线带电作业机器人 智能控制器”。本文主要研究是通过模拟机器人的视觉系统，基于图像分析处理 技术，获取清晰高压绝缘子图像、对绝缘子图像的边缘检测、提取裂纹图像并对 裂纹类型进行分类识别，为后续故障处理提供依据。 1 1 2 研究的意义 带电作业已成为保证供电设备安全、可靠运行、提高电网经济运行和为用户 服务质量的一个重要检修手段。带电作业的价值也是非常明显的，经济效益和社 江苏大学高校教师硕士学位论文 会效益都是很可观的。但是，过去几十年里，我国带电作业都是人工完成的，即 所谓人工带电作业。人工带电作业虽然创造过不少“奇迹 ，但人工带电作业也 存在着许多固有缺陷，首先在人们的心理上和实践中总是存在安全方面的重大威 胁；其次，所需设备复杂、造价昂贵，对作业人员的技术水平和熟悉程度要求都 很高，从而限制了人工带电作业的发展。而且，在今后输电线路的发展中，为了 减少线路走廊的空间，将出现紧凑型杆塔的线路。这种类型的线路，将给保证人 工带电作业的安全距离带来困难，利用机器人代替等电位电工进行带电作业将是 解决此问题的重要途径之一。 因此，为了提高配电可靠性、提高带电作业人员的人身安全，减低作业的劳 动强度，提高带电作业的自动化水平。高压输电线带电作业机器人的研制和开发 有很大的市场前景。高压输电线带电作业机器人，应具备沿架空地线自主行走以 及跨越杆塔处障碍物的功能，以摄像机为传感器，采用计算机视觉技术获取输电 线、防震锤、绝缘子等输电设备的损伤情况，并将检测到的数据和图像发送到地 面基站，及时准确地掌握输电线路的状态信息。 随着高速数字图像采样技术和数字图像处理技术的发展，基于图像的绝缘子 破损检测已经成为可能。高压输电线路带电作业机器人，通过机器人的视觉系统 采集绝缘子图像，发送给地面基站，计算机自动完成从绝缘子图像预处理到最后 绝缘子裂纹完成识别，及时准确地掌握输电线路中绝缘子的状态信息。 基于图像处理技术的绝缘子裂纹识别是一个具有发展前途的研究方向，而且 具有重要的实用价值。 1 2 图像处理和识别技术 1 2 1 图像处理和识别技术的发展 图像处理技术的发展大致经历了初创期、发展期、普及期和实用化期四个 阶段【1 4 1 。初创期开始于2 0 世纪6 0 年代，当时的图像采用像素型光栅进行扫描 显示，大多采用中、大型机对其进行处理。在这时期，由于图像存储成本高，处 理设备造价高，因而其应用面很窄。2 0 世纪7 0 年代进入发展期，开始大量采用 4 江苏大学高校教师硕士学位论文 中、小型机进行处理，图像处理也逐渐改用光栅扫描显示方式，特别是出现了 c t 和卫星遥感图像，对图像处理技术的发展起到了很好的促进作用到了2 0 世纪8 0 年代，图像处理技术进入普及期，此时的计算机已经能够担当起图像处 理的任务。v l s i 的出现更使得处理速度大大提高，极大地促进了图像系统普及 和应用。2 0 世纪9 0 年代是图像技术实用化时期，图像处理的信息量巨大，对处 理速度的要求极高。 2 l 世纪的图像技术要向高质量化方面发展，主要体现在以下几点： 高分辨率、高速度：图像处理技术发展的最终目标是要实现图像的实时处理， 这在移动目标的生成、识别和跟踪上有着重要意义； 立体化：立体化所包括的信息最为完整和丰富，未来采用数字全息技术有利 于达到这个目的。 智能化：其目的是实现图像的智能生成、处理、识别和理解。 图像处理涉及了多种学科理论和应用知识 1 5 a 6 ，包括人工智能、计算机视觉、 机器人技术、拓扑学等多种学科。它已经在许多不同的应用领域中得到重视，并 取得了巨大的成就。 图像处理主要包括图像的数字化、图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘 检测、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处理后，输出图像的质量得 到相当程度的改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、 处理和识别。 图像的增强：用于调整图像的对比度，突出图像中的重要细节，改善视觉质 量。通常采用灰度直方图修改技术进行图像增强。 图像的平滑处理：即图像的去噪声处理，主要是为了去除实际成像过程中， 因成像设备和环境所造成的图像失真，提取有用信息。众所周知，实际获得的图 像在形成、传输、接收和处理的过程中，不可避免地存在着外部干扰和内部干扰， 如光电转换过程中敏感元件灵敏度的不均匀性、数字化过程的量化噪声、传输过 程中的误差以及人为因素等，均会使图像变质。因此，去除噪声，恢复原始图像 是图像处理中的一个重要内容。通常采用线性滤波器、非线性滤波器实现图像的 平滑。 图像边缘检测：图像边缘是图像的最基本特征，主要着眼于保持边缘性质， s 江苏大学高校教师硕士学位论文 跟踪边缘并形成闭合轮廓，将目标分割出来。达到将物体从图像中分离出来或将 表示同一物体表面的区域检测出来的目的，它是后续视觉识别成败的重要因素之 一。边缘检测方法的研究有很长的历史，从刚开始基于梯度的边缘检测算法，到 现在的数学形态学、小波变换的多尺度等多种边缘检测方法，都在为了更有效的 区分噪声和定位边缘上研究，要找到一个通用的、适应性强、检测度高的方法。 这虽然对于图像的边缘检测非常重要，但是十分困难，目前很难达到。 特征抽取和图像识别：图像的模式识别，任务是利用从样本中提取出的特征， 把样本划分为相应的模式类别。特征的提取和选择是模式识别所面临的一个重要 闯题。总的来说，从模式中提取什么特征，与识别目的、方法有直接关系。随着 神经网络的应用，神经网络具有自学习，自适应，自联想功能以及良好的容错性 和高度并行性等特点，神经网络分类器在模式识别领域中得到了广泛的应用，这 也为图像的分类提供了新型的分类方法。 1 2 2 图像处理和识别技术检测绝缘子 对于高压输电线路中绝缘子的检测主要集中在对其故障的检测和监督，目前 把图像处理技术引入检测绝缘子正常与否的方法有：浙江大学王慧燕等人，利用 图像处理技术，运用小波变换完成绝缘子的边缘检测以及特征提取，同时通过动 态处理绝缘子图像实现的裂纹实时检测方案，并将其应用到无人值守变电站图像 监控系统 1 7 , 1 8 。浙江工业大学何剑春等人，提出一种利用c m a c 网络完成瓷瓶图像 信息测度至边缘特征的非线性映射方法，并通过边缘检测前后的正常预处理和异 常扫描，实现瓷瓶状态的实时, g , i i 贝y t l 9 1 。中国科学院张运楚等人，将神经网络运 用到图像处理中，从复杂的背景中识别出目标绝缘子并定位，完成了绝缘子破损 视觉检测方法的验证f 9 】。武汉大学彭克学等人，在绝缘子的憎水性检测中，通过 对绝缘子表面喷水图像的方向滤波、自适应滤波和基于熵的自动阈值区域分割来 获取喷水图像中的水滴边界信息【2 们。 利用图像处理技术对绝缘子故障检测的一些方法，有的已经用于实际的工程 中，相信未来将会得到更广泛的应用。 6 江苏大学高校教师硕士学位论文 1 3 本文研究主要内容 本文以绝缘子的裂纹为研究对象，主要研究运用图像处理和识别技术实现裂 纹的图像检测和分类识别。 本文的主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 提出视觉检测系统的硬件总体结构框架，完成实验的硬件配置，由硬件 系统获取绝缘子图像及含绝缘子裂纹图像。 ( 2 ) 阐述图像中噪声分类，用常用的几种滤波方法实现图像减噪，并针对不 同滤波方法分析其优缺点。为图像的边缘检测及裂纹提取打下了基础。 ( 3 ) 图像的边缘检测和裂纹图像提取。详细阐述了目前比较常用的几种边缘 检测方法及小波多尺度边缘方法原理，并进行了相应的实验提取边缘图像。基于 边缘特征运用差影法产生裂纹图像，生成反映图像特征的二值图。 ( 用神经网络和图像处理技术实现图像的分类识别。详细阐述了裂纹图像 的分布特征，设计三层b p 神经网络对裂纹进行分类识别，给出实验结果并分析 比较。 7 江苏大学高校教师硕士学位论文 2 1 系统的总体方案 第2 章图像检测系统 通常视觉检测系统的工作主要包括：图像采集，图像预处理，特征提取，判 决和控制等过程。其系统一般由：照明系统，图像采集系统，图像处理和分析系 统等组成。 本论文基于图像处理技术模拟高压输电线路巡检机器人视觉，采集绝缘子图 像，对绝缘子图像中裂纹加以分析、识别。 系统工作流程如图2 1 。 图2 1 系统工作总流程图 ( 1 ) 图像获取 模拟巡检机器人高压输电线路的视觉，通过其视觉系统清晰地拍摄到绝缘子 裂纹的照片。运用c c d 镜头、摄像机、云台、控制平台以及图像采集卡模拟机器 人视觉，摄像机采集到的图像信号，采集到计算机，等待下一步处理。、： ( 2 ) 图像预处理 任何一幅未经处理的原始图像，都存在着一定程度的噪声干扰。噪声恶化了 图像质量，使图像模糊，甚至淹没特征，因此进行图像的预处理工作是必要的。 在对绝缘子表面裂纹进行检测时，很可能将噪声误认为是裂纹，造成系统识别的 性能下降。消除图像噪声的工作称为图像的平滑。平滑的目的在于消除混杂在图 像中的噪声干扰，改善图像质量，强化图像表现特征。图像的平滑并不能完全去 除噪声。 ( 3 ) 图像边缘检测 图像边缘蕴含了丰富的内在信息，是图像识别中重要的图像特征之一。边缘 8 江苏大学高校教师硕士学位论文 检测首先检测出图像局部特征的不连续性，再将它们连成边界，这些边界把图像 分成不同的区域，检测出边缘的图像，随后提取出裂纹图像，就可以进行特征提 取和形状分析。 ( 4 ) 裂纹特征提取 图像特征是指图像的特性或属性。图像特征提取工作的结果给出了某一具体 的图像中与其他图像相区别的特征。从图像的裂纹信息中提取和计算出，最能代 表裂纹特征、能明显与其它不同类裂纹相区分的特征信息，组成用于分类器识别 的基本裂纹信息。 ( 5 ) 分类判别 裂纹分类就是通过输入的特征值对裂纹分类，以确定缺陷的类型和严重程 度，该过程通过裂纹分类器来实现。裂纹分类器应满足系统的识别率要求，即正 确识别率不低于8 0 在分类结果的基础上结合实际给出相应的处理意见，从 而能迅速排除故障，并为进一步的预防提供可靠的、科学的依据。 2 2 硬件系统结构及配置 采用的硬件是由摄像机、云台、控制平台、图像采集卡以及计算机组成。其 总体连接如图2 2 所示 l 绝将卜 摄像机 一图像采集卡h 计算机 云台控制器 图2 2 硬件系统示意图 具体配置： ( 1 ) 摄像机：圣普力黑白摄像机s a p l i n g s a p 5 6 5 f ； ( 2 ) 镜头：电动变焦镜头a v e n i rs l 0 8 5 5 1 a 六倍二可变镜头；变焦镜头 为六倍，可调焦调、调聚焦、自动光圈。 ( 3 ) 云台：利凌g z l i l i np h i 一3 0 2 ； 具有水平旋转角度达到3 5 0 0 ，垂直达至1 j 士6 0 0 ，水平能够持续工作，垂直能够 间歇工作等功能。 9 江苏大学高校教师硕士学位论文 ( 4 ) 云台控制器：利凌g z l i l i np i h 3 0 9 e ； 特点：控制云台使其能够上、下、左、右、自动的移动，控制镜头能够使其 完成光圈开关、聚焦远近、变焦宽窄的功能。通过c c d 镜头的变化抓拍绝缘子 图像。 ( 5 ) 图像采集卡：北京大恒图像系列板卡d h c g 3 0 0 特点：三路复合视频和一路y c 输入，软件切换；支持p a l ，n t s c 或黑白 视频输入；亮度、对比度、色调、色饱和度软件可调：支持计算机内容与图像同 屏显示，图形覆盖功能；支持任意形状的图像采集：支持裁剪与比例压缩模式； 支持单场、单帧、连续场、连续帧的采集方式。 ( 6 ) 计算机配置： 奔腾c p u ，带p c i 插槽，支持新的p c i 规范主板，1 2 8 m 以上内存，高性能 的显卡。 2 3 图像的获取及图像处理平台 2 3 1 图像的获取 ( 1 ) 实验拍摄 通过云台控制器控制云台上下，左右活动完成对所拍摄物体的初步定位，使 其能够处于最佳的拍摄位置。再通过云台控制器控制c c d 摄像头的二次变焦， 使所要拍摄的对象能够最大程度的清晰化。图像信号经图像采集卡通过p c i 总线 传输给计算机，通过相应的软件设置拍摄最佳系数，完成抓拍，保存作进一步的 分析处理。 图2 3 是运用硬件装置采集到绝缘子图像。 ( a ) 无裂纹绝缘子i 图( b ) 含裂纹绝缘子i 图 图2 3 采集到的绝缘子i 图像 江苏大学高校教师硕士学位论文 ( 2 ) 下载图片 绝缘子外形特征种类多，从网上下载了一幅绝缘子图片，图2 4 为下载绝缘 子i i 图像，其中图( ”中裂纹为人t n 作。我们在后续的处理识别中，主要针对 图2 3 和图2 4 这两幅图来实现后续的图像处理工作。 2 3 2 图像处理平台 ( a ) 无裂纹绝缘子图( b ) 含裂纹绝缘子图 图2 4 下载绝缘子图像 m a t l a b 语言是由美国m a t h w o r k s 公司推出的计算机软件【2 ，经过多年的 逐步发展与不断完善，现已成为国际公认的、最优秀的科学计算与数学应用软件 之一，是在国内外广泛流行的一种可视化科学计算软件。它集数值分析、矩阵运 算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方便的、界面友好的用户环境，而 且还具有可扩展性的特征。 m a t h w o r k s 公司针对不同领域的应用，相继推出了信号处理、控制系统、神 经网络、图像处理、小波分析系统辨识、优化设计、统计分析、通信等3 0 多个 具有专门功能的工具箱，这些工具箱是由该领域内的学术水平较高的专家编写 的，无需用户自己编写所用的专业基础程序，可直接对工具箱进行运用。同时， 工具箱内的函数源程序也是开放性的，多为m 文件，用户可以查看这些文件的 代码并进行更改，m a l a b 支持用户对其函数进行二次开发，用户的应用程序也 可以作为新的函数添加到相应的工具箱中。 m a t l a b 中的数字图像是以矩阵形式表示的，这意味着m a t l a b 强大的矩 阵运算能力用于图像处理非常有利，矩阵运算的语法对m a t l a b 中的数字图像 同样适用。如果要开发实用程序，m a t l a b 语言还可以通过m e x 动态连接库实 现与c 语言的混合编程，为工程应用提供了更多的便利条件。 论文中图像处理及识别算法程序，均是采用m a t l a b 7 0 软件编写的，它包 江苏大学高校教师硕士学位论文 括图像读入、平滑预处理、边缘检测、图像分块、子图像二值表生成、人工样本 特征值数据及b p 神经网络分类识别等程序。 2 4 本章小结 本章主要是介绍了模拟高压输电线巡检机器人检测系统的组成框架、工作 流程图，构建了硬件系统配置及软件设计平台介绍了m a t l a b 软件的特点， 给出了下面各章节图像处理及识别绝缘子原图样本。 1 2 江苏大学高校教师硕士学位论文 第3 章绝缘子图像的预处理 数字图像的预处理是有关图像应用系统中一个必不可少的重要环节，它往往 作为图像应用系统的前期辅助处理，它的实现好坏，直接影响后期的应用效果， 为进一步的工作打下一个基础。 从实际景物转换成图像信息，或者一幅图像从一种形式转换成另一种形式， 由于设备、信道和客观条件等限制，输出图像的质量可能会有所下降，图像上噪 声很大，可以采用平滑或者空间低通滤波去除噪声，提高图像质量。这里不涉及 图像质量变坏的物理过程，只是根据图像质量变坏的一般性质来提出一些改善方 法。 3 1 图像的噪声分析 3 1 1 图像的噪声定义 所谓噪声，就是妨碍人的视觉器官或系统传感器对所接收图像源信息进行理 解或分析的各种因素。理论上一般噪声是不可预测的随机信号，它只能用概率统 计的方法去认识。通常用其数字特征，即均值方差、相关函数等表示。因为这些 数字特征都可以从某些方面反映出噪声的特征。 噪声对图像处理十分重要，它影响图像处理的输入、采集、处理的各个环节 以及输出结果。特别是图像输入、采集的噪声是个十分关键的问题，若输入伴有 较大的噪声，必然影响处理全过程及输出结果。去噪已经成为图像处理中极其重 要的步骤。要去除图像生成过程中引入的噪声，就必须分析噪声的来源，确定噪 声的基本模型，选择具有针对性的噪声滤除方法。 3 1 2 噪声分类 图像噪声按其产生的原因可分为外部噪声和内部噪声两大类捌。 外部噪声是指系统外部干扰从电磁波或经电源进入系统内部而引起的噪声， 如电气设备、天体放电现象等引起的噪声。 内部噪声有以下四种常见形式： 江苏大学高校教师硕士学位论文 ( 1 ) 由光和电的基本性质所引起的噪声。如电流的产生是由于电子或空穴粒 子的运动所形成，这些粒子运动的随机产生散粒噪声；而光量子运动形成的光 量子噪声等。 ( 2 ) 由机械运动产生的噪声。如各种接头因抖动引起电流变化所产生的噪声； 磁头、磁带等抖动引起的抖动噪声等。 ( 3 ) 元器件材料本身引起的噪声。如光盘表面缺陷所产生的噪声等。 ( 4 ) 系统内部设备电路所引起的噪声。如电源引入的交流噪声噪声等。 噪声的模型按照对信号的影响可分为加性噪声模型和乘性噪声模型。设 厂狂，力为信号，n ( x ，力为噪声，则在n ( x ，力影响下的输出g “力： 加性噪声模型为：g o ，y ) = ( x ，y ) + 刀 ，力 乘性噪声模型为：g ( x ，y ) = f ( x ，力+ 厂似y ) n ( x ，y ) 各种类型的噪声反映在图像画面上有两种典型图像噪声：( 1 ) 噪声的幅值基 本相同、但噪声出现的位置是随机的为椒盐噪声。( 2 ) 每一点噪声的幅值是随机 分布的，从噪声幅值大小分布统计特性来看，其密度函数有高斯型称为高斯噪声， 又如频谱均匀分布的噪声为白噪声等。 3 2 图像的减噪 3 2 1 图像滤波概述 近年来滤波技术在图像处理领域十分活跃，主要有如下成果： ( 1 ) 线性滤波器 线性滤波器因为理论基础完善、数学处理简单，易于采用f f t 和硬件实现 等优点，线性均值滤波对加性高斯噪声有较好的平滑作用。 存在不足：对脉冲干扰和其他形式的噪声干扰抑制效果较差；模糊信号边缘： 要求具有信号的先验统计知识，这在某些实际应用中往往是一个不易满足的约束 条件。 ( 2 ) 中值滤波器 1 4 江苏大学高校教师硕士学位论文 针对线性滤波器的不足，研究了中值滤波器的确定性特性和统计特性它对 于抑制冗长拖尾概率分布噪声的效果最好。 存在不足：对短拖尾的均匀分布噪声抑制能力差：对非负相关的正态非白随 机噪声方差的降低能力与均值滤波相比约在0 6 4 - 1 之间。 ( 3 ) 排序统计滤波器 排序统计滤波器是一种非线性滤波器，当赋予不同的权值可以使滤波器在线 性均值滤波到各种排序统计的非线性滤波之间很自由的改变。 存在不足：当信号同时受到高斯噪声和脉冲噪声的影响时，滤波要求与最优 权值之间产生矛盾。 近年来还提出了一些其他类型的非线性滤波的方法，如修正剪裁平均滤波 器，调大窗口对高斯噪声平滑作用较好。双窗口修正剪裁滤波器、广义平均滤波 器等。 由上述滤波器的性能，我们发现，抑制噪声和锐化边缘，在图像滤波中形成 了一对矛盾。这是因为，通常噪声是通过积分( 累加求和) 运算来平滑，边缘和细 节是通过微分运算达到锐化，而积分、微分在数学上是一对相反的运算，很难协 调统一，难以使双方都达到最佳效果。目前的滤波技术较难达到同时平滑嗓声和 锐化边缘的要求。只能是在平滑噪声的同时，最大限度地保留边缘信息和细节。 3 - 2 2 图像平滑 图像中的噪声往往和信号交织在一起，如果平滑不当，就会使图像本身的细 节如边界轮廓、线条等变得模糊不清，使图像降质，所以图像平滑过程总是要付 出一定的细节模糊代价。如何既能平滑掉图像中的噪声，而又尽量保持图像细节 是图像平滑研究的主要问题之一。 图像平滑处理方法视其噪声图像本身的特性而定，可以在空间域，也可在频 率域采用不同的措旌。一般情况下，在空间域内，可以用邻域求像素灰度的平均 值或中值来减少噪声，在频率域，由于噪声频谱通常多在高频段，因此可以采用 低通滤波的办法，让信号的低频部分通过，阻截属于高频部分的噪声信号。 在空间域平滑滤波有很多算法，其中最常见的有线性平滑、非线性平滑。 ( 1 ) 线性滤波 江苏大学高校教师硕士学位论文 假设噪声，? ( z ，y ) 是加性噪声，在空间各点互不相关，且期望为0 ，方差为盯2 ， f ( x ，y ) 是原始图像，含有噪声的图像g ( x ，y ) 经过邻域平均后为： ；( x ，y ) = 【厂( x ，y ) + n ( x ，y ) l m = f ( x ，y ) m + 刀( x ，y ) m ( 3 1 ) 喀 2 ， 3 1 均值滤波后图像，其中图3 1 ( a ) 为图2 3 ( b ) 添加高斯噪声污染的图像，图 ( a ) 高斯噪声污染图像( b ) 采用3 3 均值滤波 ( c ) 采用5 x 5 均值滤波( d ) 采用7 x 7 均值滤波 图3 1 线性均值滤波 1 6 江苏大学高校教师硕士学位论文 ( 2 ) 中值滤波 均值滤波的主要问题是有可能模糊图像中的尖锐不连续部分。如果既要消除 噪声又要保持图像的细节，使用非线性滤波法。中值滤波是最简单的非线性滤波， 基本思想是用像素点邻域灰度值的中值来代替该像素点的灰度值。该方法运算简 单，易于实现，在实际运算过程中并不需要图像的统计特性，这也带来了不少方 便，而且能较好地保护边界；但有时会失掉图像中的细线和小块的目标区域，对 一些细节多，特别是点、线、尖顶细节多的图像不宜采用中值滤波方法。 具体方法是将固定大小的模板在图中漫游，并读取模板内像素位置对应像素 的灰度值，从大到小排序，最后取该序列的中值代替模板中心像素点的值。对二 维图像，窗口的形状和可以是矩阵、圆形及十字形等，它的中心一般位于被处理 点上。窗口大小及形状有时对滤波效果影响很大。 图3 2 为中值滤波后图像。其中图3 2 ( a ) 、( c ) 分别为原图和添加椒盐噪声后 图，图3 2 ( b ) 对原图中值滤波图，图3 2 ( d ) - - - ( t ) 是采用不同大小模板中值滤波图。 实验表明：经过中值滤波对于滤除图像的“椒盐 噪声非常有效，从图中可以看 出“椒盐”噪声的斑点全部被去除。这是因为中值滤波