（计算机科学与技术专业论文）直升机巡检输电线路锈蚀缺陷识别方法研究.pdf

中文摘要 摘要 输电线路穿越的地理环境复杂，应用直升机巡检输电线路已成为电力发展的 需要。输电线路由架空导地线、绝缘子、金具、杆塔、基础和接地装置等部件组 成，长期运行在野外，受到各种恶劣环境的侵蚀，使得输电线路导线、地线、金 具、杆塔和基础等在腐蚀环境下受到严重的破坏，布满锈迹，对输电线路的安全 运行产生重要的影响。对于输电线路锈蚀缺陷的快速正确的识别是输电线路缺陷 检测的个重要方面。 近些年来随着计算机技术的不断发展，对于进行直升机巡检的智能化要求越 来越高，基于图像处理技术的输电线路缺陷识别是现今直升机巡检的一个发展方 向。本文应用课题组提供的直升机巡检输电线路的缺陷图像，针对输电线路锈蚀 缺陷，分析锈蚀特点及图像背景，利用图像不同空间下的锈蚀图像的特点，提取 图像的特征量进行分析，判断图像是否存在锈迹。针对航拍图像的复杂性及锈迹 特点，将存在锈迹的彩色图像转化为灰度图像，对比不同图像灰度化方法，应用 本文提出的超红色法对锈迹图像进行灰度化效果较好，本文针对灰度化图像阈值 分割方法中存在的误差，应用多张锈迹灰度图像进行最小二乘拟合，根据拟合数 据确定了锈迹缺陷的分割阈值范围，用分割阈值范围约束最大类间方差法确定的 阈值对图像进行分割，对分割后锈迹区域进行形态学处理，提取分割区域几何特 征，去除分割出的非锈迹区域，将锈迹区域在彩色图像中标记为红色，并通过几 何特征分析确定锈蚀的部件，实现输电线路锈蚀缺陷识别系统，分析锈蚀缺陷识 别精度及算法的运行效率，锈蚀缺陷部件识别精度在7 5 以上，算法的运行时间在 1 1 秒左右。 关键词：锈蚀；超红色法；最 b - - 乘拟合；几何特征 英文摘要 a b s t r a c t t h eg e o g r a p h i c a le n v i r o n m e n t st h el i n e sg ot h r o u g ha r em o r ec o m p l e x ，w h i c h m a k e si tn e c e s s a r yt ou s eh e l i c o p t e rw h e np a t r o lt h el i n e st om e e tt h en e e do ft h e e l e c t r i c a ld e v e l o p m e n t t h ee l e c t r i co v e r h e a dt r a n s m i s s i o nl i n ea r em a d eo fg r o u n d w i r e s ，i n s u l a t o r s ，h a r d w a r ef i t t i n g s ，t o w e r s ，f o u n d a t i o n s ，g r o u n d i n gd e v i c e sa n ds oo n ， w h i c hh a ds e v e r ec o r r o s i o nd a m a g ei nt h ev a r i e t yo fh a r s he n v i r o n m e n t b e c a u s ei t o p e r a t e di nt h ef i e l dl o n gt i m e s ，t h es a f eo p e r a t i o nw o u l dh a v ea ni m p o r t a n ti m p a c t t h e r u s td e f e c t i o ni sa ni m p o r t a n ta s p e c t i nr e c e n t y e a r sw i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h e d e m a n d i n gi ni n t e l l i g e n ti n s p e c t i o nb yt h eh e l i c o p t e rh a v eb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r t h ed e f e c tr e c o g n i t i o ni nt r a n s m i s s i o nl i n eb a s e do ni m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u ei s d e v e l o p m e n tt r e n do fp o l l i n gb yh e l i c o p t e r i nt h i sp a p e r , i tu s et h ed e f e c ti m a g ew h i c h w a sp r o v i d e db yt r a n s m i s s i o nl i n eg r o u pt ov i e wo fr u s t yd e f e c t i o n ，a n a l y s i so fr u s t c h a r a c t e r i s t i c sa n db a c k g r o u n d s ，m a k eb s eo ft h er u s tc h a r a c t e r i s t i c su n d e rd i f f e r e n t s p a t i a li m a g e s ，t h e na n a l y s i so fi m a g ef e a t u r e s ，d e t e r m i n ew h e t h e rt h e r ei sr u s t f o rt h e c o m p l e x i t yo fa e r i a li m a g e sa n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr u s t , i tm a k et h ec o l o ri m a g eo f e x i s t e n c eo fr u s ti n t og r a yi m a g e ，c o n t r a s t i n go fd i f f e r e n tm e t h o d so fi m a g eg r a y p r o c e s s i n g ，i ti sb e t t e rt h a tu s i n ge x c e s sr e dm e t h o dt og r a y - s c a l ei m a g e f o rt h e e r r o r i ng r a yi m a g es e g m e n t a t i o n , u s i n gl e a s ts q u a r e sf i t t i n gt of i tt h eg r a y - s c a l ei m a g e s ，t h e s c o p eo fr u s t yt h r e s h o l di sd e t e r m i n e d ，w h i c hb o u n dt h eo t s ut h r e s h o l dm e t h o d ，t h e n t h eg r a y - s c a l ei m a g ei sb i n a r yp r o c e s s e d ，i tm a k em o r p h o l o g yp r o c e s s i n gt ot h e s e g m e n t a t i o ni m a g e ，e x t r a c t i n go fg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e g m e n t a t i o nr e g i o n , r e m o v et h en o n - r u s tr e g i o n , t h er u s t yr e g i o n sm a r k e di nr e do nt h eo r i g i n a lc o l o ri m a g e , i tr e c o g n i z et h er u s t yc o m p o n e n t sb yt h eg e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c so fr u s t yr e g i o n s t h e r u s t yr e c o g n i t i o ns y s t e mi si m p l e m e n t a t i o n a n a l y s i so ft h ei d e n t i f i c a t i o no fr u s t y d e f e c t i o na n dt h ee f f i c i e n c yo fa l g o r i t h m ，c o m p o n e n t si d e n t i f i c a t i o na c c u r a c yi sm o r e t h a n7 5 ，t h er u n n i n gt i m eo fa l g o r i t h m si sa b o u t11s e c o n d s k e yw o r d s ：r u s t y ；e x c e s sr e d ；l e a s ts q u a r e sf i t t i n g ；g e o m e t r i cc h a r a c t e r i s t i c s 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立迸行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 亘丑担巡捡输电绫路堡丝筮堕迟型友法婴塞= = 。除 论文中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、 中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：；沉伤才导师签名 日期：冲年7 月日 直升机巡检输电线路锈蚀缺陷识别方法研究 第1 章绪论 1 。1 课题研究背景及研究意义 随着我国经济的高速发展，高压大容量输电线路越建越多，且输电线路距离 长，沿线地形复杂，穿山越岭、跨林区沼泽湖泊，输电线路塔体很高，且输送负 荷大，可靠性要求高，常规的输电线路巡检工作主要靠人工目测观察，这种传统 的工作方式只能发现一些地面、杆塔底部的缺陷，以及绝缘子自爆等一些比较简 单易见的缺陷，工作效率低，而且对山间大跨越线路等不能正确观测，对于保证 电网的安全运行存在隐患，不能满足高压输电线路的巡检要求，应该用直升机巡 检输电线路已成为电力发展的趋势【1 捌。 直升机巡检输电线路无论是在技术上还是经济上都是必要和可行的。近年来， 红外技术、c p s ( 全球卫星定位系统) 技术、计算机视觉技术等取得了飞速发展，这 些技术的发展促进了应用直升机进行电力作业的推广。直升机巡检记录红外图像 和可见光图像，分别对应热像巡视和可见光巡视。可见光巡视宜安排在晴朗、能 见度好的天气条件下飞行，风速也不宜过大。巡视时要离线路更近一些飞行( 约小 于2 0 米) ，直升机飞行于线路左侧。在直升机上进行输电线路检测时，摄像机与飞 行航向相对保持4 5 度夹角，瞄准前方的输电线路整个基础杆塔，对故障部位进行 连续性的拍摄。摄像机应对基础杆塔中的具有故障的部件作为跟踪摄像的主要目 标，保证所拍摄图像中缺陷部分清晰可见，且在拍摄图像中的比例不宜过小，同 时注意拍摄图像的位置与拍摄效果，尽量保持在背阳光侧进行拍摄，防止阳光的 反射造成图像曝光，拍摄效果不理想。当巡线员发现故障点或需要对设备进行重 点观测时，飞行应减速或悬停。有风时，顶风悬停，保持直升机比较稳定，也更 加安全，也有利于成像设备的工作【3 】。 输电线路由架空导地线、绝缘子、金具、杆塔、基础和接地装置等部件组成， 长期运行在野外，受到各种恶劣环境的侵蚀，使得输电线路导线、地线、金具、 杆塔和基础等在腐蚀环境下受到严重的腐蚀破坏。我国幅员辽阔，在东部沿海地 区有绵长的海岸线，西部有沙漠、盐湖等恶劣环境，尤其环渤海湾地区和内盐湖、 第1 章绪论 盐渍土地区以及重工业大气污染地区，对输电线路设施造成的腐蚀破坏极大地影 响到输电线路的安全运行。输电线路的腐蚀环境主要有大气腐蚀、水腐蚀和土壤 腐蚀等。腐蚀破坏使得输电导线的寿命大大缩短，尤其对处于腐蚀环境下的输电 线路，往往不能达到其预期设计寿命。浙江省洞头县位于东海洞头岛，洞头县电 网的第一回3 5 k v 线路、白f 3 3 5 7 1 线和大洞3 5 7 2 线于1 9 8 7 年建成投运，由于设计时 未考虑海岛盐雾气候，使用常规的导线，运行仅1 2 年就出现了导线严重锈蚀、拉 线普遍生锈等老化现象。北京供电公司现有3 5 k v 及以上的输电线路6 6 1 4 公里，其 中存在大量运行时间超过2 5 年以上的线路，个别线路运行时间超过5 0 年，由于长 年的风吹日晒、环境侵蚀，使得输电线路存在线路金具、架空地线和拉线锈蚀， 杆塔锈蚀断裂严重的情况，存在较大安全隐患【4 】。导线、架空地线、金具和杆塔结 构的锈蚀一般为大气腐蚀，杆塔基础和接地网的锈蚀多为土壤腐蚀。由此可见， 我国输电线路的锈蚀状况是比较严重的。在我国输电线路的设计、施工和运行维 护中，针对输电线路跨越地区的大气环境和水土环境，对导线、架空地线、金具、 杆塔、基础和接地网等采取了必要的防护措施，虽然目前所采取的防腐措施取得 了一定的效果，但对于输电线路的锈蚀仍是一个不可忽视的问题，对于输电线路 的锈蚀的检测与识别是输电线路缺陷检测的一个重要方面。 在进行直升机的可见光巡视中，用数码相机进行拍照纪录时，保留了大量的 彩色图像，对于巡检一次输电线路将有大量的图片，对于图片上的输电线路缺陷 的识别是一个新的问题，如果能根据拍摄的彩色图像用计算机视觉来解决人工的 解读图片、记录缺陷，将大大提高巡检的效率，节省人力和时间。对输电线路缺 陷进行分析，应用相关技术进行研究和实践，使之不断发展完善，找到适应输电 线路缺陷图像的识别方法，直升飞机巡检线路就会发挥更大的作用。 1 2 国内外发展现状 从2 0 世纪5 0 年代开始，美国、加拿大、俄罗斯、法国等欧美一些发达国家 开始尝试用直升机对输电线路的故障进行抢修等工作。随着应用中遇到的问题与 科技的发展，到2 0 世纪9 0 年代的时候，应用直升机进行输电线路巡检、检修及 直升机巡检输电线路锈蚀缺陷识别方法研究 带电作业已经在这些发达国家中得到了广泛的应用，并发展成为一项成熟的技术。 实际上，采用直升机进行电力作业已经成为世界电力工业的潮流f 5 1 。 我国从七十年代中期开始尝试应用直升机进行输电线路巡检和大量的施工作 业，与此相关的科研工作也取得了一定的经验和成果。但由于我国当时的国情、 国力和科学技术水平等多种因素的制约，此方面的工作一度搁浅，也未进行大面 积的应用研究。近些年来，随着我国经济实力的增强和电网建设得快速发展，高 压输电线路越建越多，国内也逐步开放了航空管理体制，无论是从电网运行的客 观需求，还是从直升机巡检应用的可行性来看，国内应用直升机进行电力作业都 已经具备了较成熟的条件。 8 0 年代，我国华北地区、河南省、湖北省都进行过直升飞机巡线的试飞。随 后到2 0 0 4 年1 2 月，南方电网超高压公司首次采用直升机巡检5 0 0 千伏输电线路 并取得圆满成功，巡检中摸清了线路现状，建立了线路缺陷档案，快速、有力地 指导了人工地面巡视工作。2 0 0 5 年1 月，绍兴电力局首次使用直升机对绍兴电网 高压输电线路进行巡检，据统计，此次巡检共查出缺陷、隐患9 0 多处，其中新发 现的就有5 0 多处，该局线路工区将及时对其检修，排除安全隐患，同样的工作， 如果两个人巡检的话，需要9 个月左右的时间，直升机巡检大大提高了工作效率。 2 0 0 5 年内蒙古电力公司采用直升机巡检2 2 0 千伏输电线路，共查出缺陷2 7 9 项， 其中一般缺陷2 7 2 项，紧急缺陷6 项，严重缺陷l 项，并将此项技术在全区5 0 0 千伏电网巡检中全面应用。 国家电力公司的“十一五新技术推广纲要中，直升机巡线及作业技术被确 定为新技术推广应用重点工程之一。该技术已在华北电力公司应用，至2 0 0 5 年底 采用直升机航巡作业已达3 万公里左右。2 0 0 6 2 0 0 7 年，在华中、西北、黑龙江、江 苏、四川等公司开展输电线路直升机巡线技术示范应用。直升机作业技术成熟后， 在“十一五”后期逐步扩大应用范围，所以对于直升机巡检输电线路的研究将具 有深远的意义。图1 1 【5 】显示了电力线路巡检人员正在飞机上紧张工作的情况。目 前，直升机巡线在发达国家已占据半壁河山。目前，有些国家在输电线路上已可用 直升机进行零距离巡视和测量【3 1 。 第1 章绪论 圉11 直升机巡检输电线路 f i g1 1h e l l 。叩i 盯p o w 盯- i i n e i n s p e c t i o n 对于输电线路缺陷检渊采用的检测方法主要有：观察法、工具检测法、超声 波检测、红外测温法、激光法等l 。目前国内外对直升机巡检中应用的拍摄设备 主要是红外设备，则图像多为红外图像，利用机载的热成像邂线设各，可以很容 易的发现输电线路上发热类型的缺陷，如导线断股、接头接触不良等。同时可见 光图像可以对此类发热缺陷起到辅助的定位作用。而对于非发热缺陷则采用目视 结合可见光图像采集的方式等方式。对于丈量的可见光图片进行分析及时的判断 为何种缺陷，是一个研究的难点，从硕士期间查阅的大量的中外文献中，暂少找 到相关方面的参考资料，对于机器人检测输电线路缺陷，所采集的图像多为近景 图像，背景单一，且图像多为c c d 灰度图像。且图像比较小。 湖南大学的何洪英等人的研究主要是针对红外图像来判断绝缘予的污秽1 9 】， 并采用绝缘子的温度信息进行分析，图像背景单一。华北电力大学的刘保华等人 论文中描述了输电线路智能标准化巡检系统【l “，设计并分析了巡检系统，主要采 用p d a 进行记录，通过o p s 定位及网络传输到远程电脑上对于用p d a 进行记 录是一个比较费时的方式，或者用红外紫外发现缺陷时，用数码相机拍摄，保存 缺陷的图片。如果能过通过实时的采集并分析图像，既节省了p d a 的使用，又能 通过图片直接分析记录缺陷，实现自动化，对于这方面的研究属于一个新的研究 方向，国内外的相关资料很少，国内的论文也多为系统思路的叙述与设计，实质 的缺陷识别仍是一个研究的空白。而对于基于计算机视觉的研究有华北电力大学 直升机巡检输电线路锈蚀缺陷识别方法研究 的葛玉敏等入所作的应用可见光图像进行分析，检测图像的r 、g 、b 值，进行模 糊判断，检测绝缘子污秽，并提出了利用g p s g i s d v 相结合的g g d 法对故障 点进行定位的思想【l l 】。其他的多为通过检测电力信号来分析输电线路缺陷。从研 究期间阅读的大量文献中，对于输电线路锈蚀缺陷的研究识别为一个空白，暂没 有发现有关输电线路锈蚀缺陷识别的文章。因为直升机巡检输电线路时，输电线 路在直升机的下方，所以航摄的输电线路缺陷图片多为带有复杂背景的图片，且 背景不固定，从图像处理的领域看，对于不同的图片，应用的方法也不尽相同。 图像处理的各种方法仍在进一步的研究及发展阶段，单一背景下的图像处理并没 有统一适用于所有图像的方法，并且对于复杂背景下的图像分割，不论从彩色图 像还是灰度图像仍是现今图像处理中研究的难点与热点。 1 3 课题来源及研究内容 本课题来源于浙江电力局项目。 通过对直升机巡检输电线路的国内外发展状况和发展趋势，针对目前巡检输 电线路过程中所拍摄的大量彩色图片数量大、缺陷的识别效率低等不足，探索并 初步设计了基于彩色图像的输电线路锈蚀缺陷的自动识别方法。 本文重点讨论和研究的内容包括： ( 1 ) 分析国内外现有输电线路巡检的发展现状和特点。 ( 2 ) 对图像分析，进行图像预处理，判断是否存在锈迹，存在锈迹则进行判断， 不存在锈迹则不进行处理。 ( 3 ) 对输电线路锈蚀图像，针对其复杂背景的特点，对图像进行灰度化， ( 4 ) 对灰度化后的图像，进行图像分割，后进行形态学操作。 ( 5 ) 提取锈迹区域的特征，进行图像分类，区分是何种部件锈蚀并标记锈迹区 域。 第2 章图像预处理与锈蚀图像区分 第2 章图像预处理与锈蚀图像区分 2 1 图像处理与计算机视觉概述 图像处理与机器视觉是认知科学与计算机科学中的一个活跃的分支。自2 0 世 纪7 0 年代，该领域经历了人们对其兴趣的爆炸性的增长之后，在8 0 到9 0 年代逐 步走向成熟，伴随而来的是实际应用的显著增长，其中遥感、技术诊断、自主车 导航、医学成像( 2 d 或3 d ) 和自动监视是发展最快的方向。 计算机视觉是指用摄像机和计算机代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量等； 图像处理是使用计算机对图像进行一系列加工，以达到所需的结果。常见的处 理有图像数字化、图像编码、图像增强、图像复原、图像分割和图像分析等。 图像处理的各个内容是互相有联系的。一个实用的图像处理系统往往结合应 用几种图像处理技术才能得到所需要的结果。 机器视觉系统首先采用c c d 摄像机或其他图像拍摄装置将目标转换为图像信 号，然后转变成数字信号传送给专用的图像处理系统，系统对感兴趣区域进行特 征提取，根据特征进行决策，以达到最后的应用要求。 。目前计算机视觉系统主要应用于以下三方面： ( 1 ) 用视觉进行产品检验，代替人的目检。其中形状检验，即检查和测量零件 的几何尺寸、形状和位置；缺陷检验，即检查零件是否损坏、划伤；齐全检验， 即检查部件上的零件是否齐全。 ( 2 ) 用视觉系统对一组需装配的零部件逐个进行识别，确定零件所在的具体位 置和方向，使得机器装置能准确地抓取所需的零件，并放到指定位置，完成分类、 搬运和装配任务等。 ( 3 ) 导航系统。利用视觉系统进行判断本事所处环境的信息，包括外部图像， 同过对图像等信息的判断，确定目前所在的位置，要行进的路线，判断前面是否 有障碍物，以避免障碍物，能够安全到达目的地，并完成指定的工作任务【1 2 】。 计算机视觉中，图像识别是视觉系统的关键，而图像识别中目标的特征提取 是关键，特征选取的好坏直接影响识别的结果及精度，如何选择合适的特征及参 直升机巡检输电线路锈蚀缺陷识别方法研究 数至关重要。本课题中的图像，要想判断它是否有缺陷，首先就要找出缺陷在图 像中的表现，即缺陷的图像特征。只有从图像中得到有助于判断图像是否有锈蚀 的模式特征，才能进一步判断锈蚀缺陷是哪种部件，这些都依赖于缺陷特征的选 择是否恰当，在一般的图像识别中，常用的特征有以下几种【”】： ( 1 ) 图像的幅度特征：主要有图像像素灰度值、彩色的三色值、频谱值等表示 幅值特征，它们是图像最基本的特征； ( 2 ) 图像的统计特征：主要有直方图特征，统计性特征( 如均值、方差、能量、 熵等) 、描述图像相关性的统计特征( 如自相关系数、协方差等) ； ( 3 ) 图像的几何特征：主要有面积、周长、分散度、伸长度、曲线的曲率等； ( 4 ) 图像变换系数特征：如傅立叶变换系数、k l 变换等； 根据本课题的要求，选用基本的彩色图像特征、灰度值特征、直方图特征以 及基于几何形状的图像特征来进行锈迹缺陷的检测与标识。 2 2 锈蚀图像分析 2 2 1 图像文件格式与分析 图像文件是以数字形式存储起来的图像，图像数据一般以一定格式存放。目 前已经有几十种图像文件格式，它们虽然各不相同，但都具有相似的特征。 本项目提供的数字照片图像都是利用数码相机拍摄得到的，所以图像文件均 为j p e g 格式，也称为j p g 格式。图像由浙江电力局提供，并且采用像素分辨率不 同，每个图像文件大小也不尽相同，从3 0 0 k 到3 4 m 。拍摄的主体对象为锈蚀部件， 缺陷部分占总图像总面积的1 0 以上，背景复杂，背景不固定。由于在现有的技术 条件下，利用不同品牌数码相机，甚至同一品牌不同型号的数码相机对同一对象 所拍摄出来的数码照片在颜色上或者分辨率上都会有不少差异。从浙江电力局提 供的图片分析，图像非同一品牌同一型号数码相机拍摄。为了尽量减少硬件条件 的影响，本论文中将采用的图像分辨率归一化为相同图片。在航拍距离一定，角 度一定，分辨率一定的情况下，有利于更加准确地判断缺陷类型。在进行部件识 别过程中，本论文中选择同一相机拍摄图片，其分辨率相同，航拍距离与拍摄角 第2 章图像预处理与锈蚀图像区分 度基本不存在大的差距 222 锈蚀部件分析 分析电力局提供图像，将输电线路锈蚀缺陷图像分为以下四类：( 1 ) 铁塔锈蚀： 主要表现为塔身的大面积锈蚀，遍布塔身的大部分且塔身呈暗红色；( 2 ) 铁塔金 具锈蚀：表现为铁塔螺母边缘或全部锈蚀，锈迹表现为浅红色或红色；( 3 ) 导、地 线锈蚀：主要表现为地线整体锈迹斑斑，呈泛黄的红色；( 4 ) 接地装置锈蚀：表现 为接地处装置的大面积锈蚀，呈现浅红色或暗红色。根据以上分析，四类锈蚀部 件图像如下图所示： 图( 8 ) 塔身锈蚀 图( b ) 螺母锈蚀 图( c ) 导地线锈蚀 目( d ) 接地装置锈蚀 f i g ( c ) r u s t y g r o m a d - l i n e f i g ( 由r u s t y g r o u n d l n gd e v i c e 幽2l 锈蚀图像分类 f i g2 1r u s t i m a g ec l a s s i f i c a t i o n 直升机巡检输电线路锈蚀缺陷识别方法研究 针对锈蚀缺陷的特点，从浙江电力局提供的图片中，选取锈蚀图像，其中塔 身锈蚀图像5 张，塔身金具锈蚀图像5 张，导、地线锈蚀图像图像5 张，接地装 置锈蚀1 5 张，好样本( 没有锈蚀缺陷的图像) 4 0 张。 2 3 图像预处理 图像处理的主要功能是将获得的低质量图像( 反差小，模糊，变形等) 用计 算机处理成更适合人眼观察或仪器检测的图像。经过这些处理后，输出图像的质 量得到很大改善，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。图像预处理是图像进行识别的基础，图像预处理对于图像分析具有重 要的作用。 图像预处理的目的就是提高图像质量，确保识别目标的自动提取精确度和保 真度。本课题研究的是室外环境下的锈蚀缺陷图像，航拍的彩色图像中锈蚀缺陷 是应突出的区域，应保证图像的清晰度，则环境背景和噪声是应抑制的部分。分 析由于室外图像的噪声主要是在拍摄过程中，由于曝光不均匀而产生的胶片颗粒 噪声和数字化过程电由数字化电子器件带来的随机噪声，以及在输入、传送、处 理过程中都难免会引入干扰，引起图像降质，造成图像特征提取和图像识别困难 或产生不良的视觉效果。因此首先要对图像进行预处理，提高图像质量。图像噪 声常常和信号交织在一起，如果平滑不当就使图像本身的很多细节变得模糊不清， 从而使图像降质。如何既能平滑掉图像中的噪声，又尽量保持图像细节，少付出 一些模糊的代价，是图像平滑研究的主要问题。 对于预处理本文选用图像增强与噪声去除。图像增强选用比较常用的直方图 均衡化来增加图像对比度。在室外中噪声主要包括高斯噪声和椒盐噪声，为了找 到一种更适合本课题图像的滤波方法，本文选用多种滤波方法进行处理，对多张 图像进行试验，给出室外噪声情况下均值滤波与中值滤波后图像的结果图，并分 析比较的结果。 2 3 1 直方图均衡化 图像增强的目的在于改善图像的视觉效果，突出便于人或机器分析的某些感 第2 章图像预处理与锈蚀图像区分 兴趣的信息，抑制一些无用的信息，以提高图像的使用价值。图像增强目前还缺 乏统一的理论，这与没有衡量图像增强质量通用的、客观的标准有关。增强的方 法往往具有针对性，增强的结果只是靠人的主观感觉加以评价。因此，图像增强 方法只能有选择地使用【1 3 】。图像增强的方法可以分成两类2 一类是直接对比度 增强方法；另一类是间接对比度增强方法。直方图均衡化是最常见的间接接 对比度增强方法。 由于本课题处理的是直升机巡检中拍摄的室外环境中的彩色图像( 如图2 1 ) ， 所以为了能更好的对图像进行滤波，我们先对图像进行图像增强，由于空间域处 理比在频率域处理速度要快的纠1 4 , 1 5 】，所以本课题采用空间域的直方图均衡化方 法对图像进行增强，来增大图像中不同位置、不同内容的对比度。在对大量图像 进行分析中，考虑到图像存在昏暗、模糊等因素，首先求取图像的对比度，如果 对比度值比较小，则可考虑进行对比度增强，当图像对比度值比较大时则不进行 对比度增强。 直方图均衡化的“中心思想 是把原始图像的灰度直方图从比较集中的 某个灰度区间变成在全部灰度范围内的均匀分布，增加了象素灰度值的动态范 围。其对图像进行非线性拉伸，重新分配图像像素值，使一定灰度范围内的 像素数量大致相同，从而达到增强图像整体对比度的效果。其原理如下： ( 1 ) 计算出原始图像的所有灰度级s k ，k = o 1 ，l - 1 ： ( 2 ) 统计原始图像的像素数，并依据式( 2 1 ) 计算原始图像的直方图； p ( s k ) = n _ l ，七= 0 ，1 ，l 一1 ； ( 2 1 ) 式中s k 是图像( f ，- j f ) 的第尼级灰度值；n k 是f ( i ，_ ，) 中具有灰度值最的像素的个 数；n 是图像中像素的总数。 ( 3 ) 计算原始图像的累计直方图并取整，即： = 圭鲁= 圭p s t 尼= 0 ，1 ，； ( 2 2 ) ( 4 ) 定义映射关系：& 一t k ； 直升机巡检输电线路锈蚀缺陷识别方法研究 ( 5 ) 统计新直方图各灰度级的像素数并由式( 2 3 ) 计算新的直方图： b 以) = 生 ( 2 3 ) h 选择图2 1 ( b ) ，直方图均衡化后结果如图2 2 所示，从增强前后的图像中看 出变换后的锈蚀区域与背景对比更为清晰，更能突出锈迹区域的细节。从直方凰 上也可看出，直方图调整之前，灰度分布比较集中，图像的细节不够清晰。采用 直方图调整后，图像的灰度问距拉开，灰度分布比较均匀，增大了背景与锈迹的 反差，图像的细节更加清楚，达到了增强的目的。直方图各灰度等级的比例也更 加平衡。 图( c ) 均衡化后图像 图( b ) 原r 分量直方图 f i g ( b ) t h e h i s t o g r a mo f o r l g i n a l r c o m p o n e n t - 簪二善j 二乏 图( d ) 均衡化后r 分量直方图 f i g ( c ) t h ee q u a l i z a t i o n i m a g ef i g ( d ) t h e h i s t o g r a m o f e q u a l i z a t i o n r p o n t 图22 直方图均衡化增强结果对比 f i g22 t h e 船u l f c o m d a r i s o no f h i s t o g r a me q u a l i z a t i o n 鳃茹鳃震黜霹 第2 章图像预处理与锈蚀图像区分 对图像判断是否进行增强分析后，考虑对图像进行滤波。因为课题组提供图 像均为清晰图像，但图像中的噪声是不可避免的，或多或少的都存在，本文考虑 到拍摄中存在大量噪声的情况，对图像进行滤波分析。 2 3 2 均值滤波 均值滤波法即邻域平均法，是直接在空间域上进行平滑处理的方法。均值滤 波过程中，假定图像是由许多灰度恒定的小块组成，相邻像素间存在很高的空间 相关性，且图像噪声是独立的，可用像素邻域内的像素的灰度的平均值代替该像 素原来的灰度值，实现图像的平滑。它是指在图像上对目标像素给定一个模板， 该模板包括了其周围的邻近像素( 以目标象素为中心的周围8 个象素，构成 一个滤波模板，即去掉目标象素本身) 。再用模板中的全体像素的平均值来 代替原来像素值。 邻域平均的方法的实现原理为：设f ( i ，歹) 表示( f ，歹) 点的实际灰度值，以它为 中心取一个n x n 的窗e l ( = 3 ，5 ，7 ，) ，用邻域平均法滤波后，所得的平滑图像为 g ( i ，) ，则有式( 2 4 ) ： 删) 2 志。磊_ m 朋 心4 式中，x ，y = 0 ，1 ，一1 ；a 为不包括 ，y ) 的邻域中各像素坐标的集合，即去 心邻域【1 6 1 。 假定图像中的噪声是随机不相关的加性噪声，窗口内各点噪声是独立同分布 的，经过上述平滑后，信号与噪声的方差比被提高，邻域平均法有着明显的去除 噪声平滑图像的效果。如果( f ，j ) 点是噪声点，其邻近像素灰度与之相差很大，用 邻近像素的平均灰度来置换它，能明显地将噪声点抑制下去，使邻域中的灰度接 近平均，平滑灰度。邻域半径不能取得过大，以免对边缘产生太大的影响，也不 能取得过小，从而达不到预期平滑去噪声的目的。这种算法简单，处理速度快， 但它的主要缺点是在降低噪声的同时使图像产生模糊，特别在边缘和细节处。椒 盐噪声是室外中噪声之一，本课题组所提供图像基本都很清晰，噪声很少，但室 直升机巡检辅电线路锈蚀缺陷识别方 i 击研究 外图像不可避免的都存在或多或少的噪声，对图像进行噪声去除是不可少的。下 面对航拍图像添加椒盐噪声后进行均值滤波，分别采用的邻域窗口3 x 3 、5 x 5 、 7 7 ，所得处理结果分别如下图2 3 所示： 李 图( a ) 加入椒盐噪声的图像 f i g t h e s a l t - a n d 举w p e t n o i s e i m a g e 图( b ) 3 x 3 均值滤波结果 f i g ( b ) 1 1 a er e m l t a f t e r3 3 m e a n f i l t e r i n g 图( c ) 5 5 均值滤波结果酗( d ) 7 x 7 均值滤波结果 f i g ( c ) t h er e s u l t a f t e r5 x 5 m e 柚f i l t e r i n gf i g ( d ) t h er e s u l t a f i 盯7 x 7 m e n u f i l t e r i n l 珏g 图23 图像均值滤波结果对比 f i 9 2 3 t h e c o m p a r i s o nr e s u l t i m a g e o f m e a n f i l t e r i n g 比较以上采用不同尺寸的均值滤波嚣进行滤波处理的结果证明，当所用的平 滑模板的尺寸增大时，消除噪声的效果增强但同时所得的图像边缘和细节处变 得更模糊，细节的锐化程度逐步减弱，所以在用均值滤波器时窗口不能取的太大， 要把握好平衡度。本实验中5 5 的窗1 ：3 均值滤波后效果较好，它既有效的滤除了 噪声，虽与原始图像相比有稍微模糊但尽量多的保存了锈迹的细节部分。 第2 章图像预处理与锈蚀| 量l 像区分 2 3 3 中值遽渡 中值滤波器是最常用的非线性平滑滤波器。它也是一种邻域计算，类似千卷 积，但计算的不是加权求和，而是把邻域中的像素灰度接灰度级进行排序，然后 选择该组的中间值作为输出像素值。具体步骤是： ( 1 ) 将模扳在图像中漫游并将模板中心与图像中某个像素的位置重合： ( 2 ) 读取模板下个对应像素的灰度值； ( 3 ) 将这些灰度值从小到大排成一列； ( 4 ) 找出这些值里排在中间的一个； ( 5 ) 将这个中间值赋给对应模板中心位置的像素。 邻域的大小决定了在多少个数值中求中值，窗r a 的形状决定了在什么样的几 何空间中取元素计算中值。对二维图像，窗口的形状可以是矩形、圆形及十字形 等，它的中心一般位于被处理点上。窗n 大小及形状有时对滤波效果影响很大。 应用中值滤波的一般方法是先试用长度为3 的窗r a 对信号进行处理，若无明显信 号损失，再把窗口延长副5 ，依次类推，直到对处理结果满意为止。 在考虑处理滤波效果的同时还要看计算量，随着宙n 的增大，计算量会有成 倍的增大，所以不能孤立的考虑滤波效果，要综合起来考虑。实际上，中值滤波 器的主要功能就是让与周围像素灰度值的差比较大的像素改取与周围的像素值接 近的值，从而可以消除孤立的噪声点。下图是对图2 1 ( b ) 加入椒盐噪声后的图 像进行中值滤波得到的结果。 酗( a ) 加椒盐噪声 f i g ( a ) t h es a l t - a n d - p e p p e rn o i z e i m a g e 圈( b ) 3 x 3 中值滤波结果 f i g ( b ) t h er e s u ha f t e r3 x 3 m e d i a n f i l t e r i n g 直升机巡检输电线路锈蚀缺陷识别方祛研究 翻徽 图( c ) 5 x 5 中值滤波结果 图( d ) 7 x 7 中值蒋波结果 f i g ( c ) t h e r e 锄l t 5 x 5m e d i a n f i l t e r i a g f i g ( d ) t h er e m t l ta f t e r7 x 7m e d i a n f i t t e d n g 圈2 4 图像中值滤波结果对比 f i g 2 a t h e m p a r e d r i m a g e o f m e d i t m f j t e r l n g 通过观察中值滤波中5 5 、7 x 7 窗口虽然噪声被去除，但是图像不可避免的 模糊了，对于采用3 x 3 图像噪声被很好的去除，与原图像相比，图像清晰，保留 了图像中的物体的细节，所以3 x 3 窗口的中值滤波效果较好。 2 3 4 滤波分析 对图像进行平滑滤波有很多方法，根据文献和实验已知，并没有一种适合与 所有图像的平滑滤波方法，如何既能平滑掉图像中的噪声，而又尽量保持图像细 节，少付出一些模糊的代价，是图像平滑研究的主要问题之一1 1 4 】。 通过对以上两种滤波方法的实验，3 x 3 窗口的中值滤波效果最好，既保持了 图像的细节，又滤除了噪声。考虑到图像中存在的高斯噪声，对图像叠加叠加均 值为0 ，方差为0 0 0 2 的高斯噪声，用3 x 3 窗口的中值滤波进行试验，结果如图 2 5 所示： 第2 章图像预处理与锈蚀图像区分 图( 8 ) 加入商斯噪声图像国( b ) 中值滤波后图像 f i g ( a ) y h e i m a g eo f g a u s s i a nn o i s e i m a g e r i g t h e i m a g ea f t e r m e d i a n f i l t e r i n g 图25 高斯滤波结果 f i 9 25 t h e m u t to f g a n s s i a af i l t e r i n g 由图2 4 、互5 可见，中值滤波器可以很好的滤除图像中的椒盐噪声而且效果 明显，质量较好，并且用中值滤波试验去除高斯噪声效果也很好。总之，以上分 析结果可以看出：不管是均值滤波还是中值滤波，都能较有效的滤除噪声，但是均 值滤波法，滤除椒盐噪声的效果不是很理想，尽管随着滤波窗口尺寸的增大，滤 波效果稍有提高，但随之而来的负面影响也随之增大，图像的边界和细节部分的 模糊程度会加重。相反中值滤波器不像均值滤波器那样，它在衰减噪声的同时不 会使图像的边界模糊，而且随着窗口的增大，滤波效果更好。考虑銎惶外图像中 噪声主要以椒盐噪声和高斯噪声存在，因此本课题研究中采用3 x 3 中值滤波法进 行图像的预处理。 2 4 锈蚀图像区分 谋题组提供图像为彩色图像，对锈蚀图像进行区分应用到不同的颜色空间， 以下对颜色空间及锈蚀围像区分进行介绍。 目前常用的颜色模型可以分为两类，一类面向诸如彩色显示器之类的硬件， 另一类面向以彩色处理为目的地应用，如动画中的彩色图形。面向硬件最常用的 彩色模型是r g b 模型，而面向彩色处理的最常用模型是i e i 模型。 直升机巡检输电线路锈蚀缺陷识别方法研究 2 4 1r g b 彩色空间 r g b 模型基于笛卡尔坐标系统，3 个轴分别为r ，g ，b ，见图2 6 。核心部分 是个正方体，原点对应黑色，离远点最远的顶点对应白色。立方体内各点对应不 同的颜色，可用该点到原点的矢量表示。可以将立方体归一化为单位立方体，这 样所有r ，g ，b 的值都在区间 0 ，1 中。根据这个模型，每幅彩色图包括3 个独 立的基色平面，或者说可以分解到3 个平面上，反过来说，如果l 幅图像可被表 示为3 个平面，使用这个模型比较方便，如遥感图像常使用r g b 模型。 ，回 g 图2 6 r g b 模型 f i g 2 6r g b m o d e l 通过对不同类型的图像分析，有人经过大量实验提出， 性变换得到3 个正交的彩色特征1 7 1 。 ：r + g + b 气 可用r 、g 和b 经过线 ( 2 5 ) 厶= 竿或厶= 竿 ( 2 6 ) ，；2 g - r - b( 2 7 ) ，= 一 厶1 一， 。