一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法，首先利用绝缘子图像在水平方向投影，来获取绝缘子区域的上下边界；然后利用PCA方法，计算绝缘子图像的主方向与水平方向的夹角；利用旋转矩阵对绝缘子图像进行方向校正，并按照校正后的坐标重新组织图像；获取绝缘子图像垂直方向积分投影曲线，并根据积分曲线的变化率获取绝缘子的水平方向位置，获取绝缘子图像的位置信息后，然后采用机器学习的方法判断选中区域是否为绝缘子。然后对绝缘子区域坐标进行反旋转，即可获得绝缘子在原始图像中的精确位置。本发明通过理论仿真和大量的实验验证，证明本发明检测速度快、检测精度高，能够满足无人机巡检要求。
【专利说明】一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及图像处理、机器学习和自动目标识别技术，具体的说就是利用图像处 理技术检测和识别绝缘子，属于目标自动识别领域。
【背景技术】
[0002] 随着超高压大容量输电线路的增多，输电线路的安全运行显得越来越重要，电力 线路巡检工作尤为必要，绝缘子检测，对于输电线路的安全运行至关重要。传统的电力线路 巡检流程是工作人员亲自到现场巡视线路。因此，巡检受过多人为因素的影响，在危险地段 会危及到巡线工人的生命安危，并且人工录入数据量大、数据手工录入过程中容易出错。无 人机，是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器。在无人机前 端安装具有稳定能力的摄像机云台，无人机首先飞行到高压线路的侧方或侧上方，启动机 载视觉系统后，利用摄像机获得场景的视频信息，之后应用图像识别技术和数据融合技术 对线路及设备缺陷进行自动检测与分析。无人机巡线检测提高了检测精度和效率，实现对 线路设备的缺陷的自动辅助检测诊断和评估。
[0003] 目前，绝缘子目标识别方法大体可以分为基于边缘特征的检测方法、基于纹理的 检测方法。
[0004] 基于边缘特征的绝缘子检测方法的研究现状：基于边缘的图像分割方法根据不同 区域间像素灰度不连续的特性，首先检测出区域间的边缘，从而实现对绝缘子的分割。王 伟等人比较了 Roberts算子、Prewitt算子和小波极大模等边界检测方法的优缺点，并给 出了绝缘子边缘检测的参考方法。（王伟，刘国海.绝缘子图像的边缘检测.微计算机信 息.2008. 24 (9-3) :308-340)。葛玉敏等人首先利用数学形态学对绝缘子图像进行了预 处理，消除了噪声对绝缘子图像的影响，然后分别用Sobel算子、Prewitt算子、LOG算子和 Canny算子对绝缘子进行了边界提取，并得出Sobel算子和Prewitt算子能够提供精确的边 缘方向信息，但定位精度不高；LOG算子易将阴影等误认为边缘进行提取；Canny算子能很 好地体现图像的弱边缘，但易受噪声干扰而检测出许多伪边界点的结论。（数学形态学在绝 缘子图像边缘检测中的应用.高压电器.2012. 48 (1M01-104)仲莉恩等人提出了利用边 缘方向直方图进行绝缘子检测的方法。首先将绝缘子图像分成模板大小的块，然后采用E0V 算法分别计算绝缘子图像子块和模板的边缘方向矢量，并通过矢量变换得到变形模板的边 缘方向矢量；然后针对分块的图像，通过模板与之边缘方向矢量匹配，得到绝缘子的候选区 域，最后通过对候选区域连续性判断实现了绝缘子的检测(一种利用边缘方向直方图检测 绝缘子的方法·电气技术.2010. (1):22-25)。
[0005] 基于纹理特征的绝缘子检测方法的研究现状：杨翠茹根据绝缘子图像的纹理性， 利用灰度共生矩阵方法产生出每幅绝缘子图像6个常用纹理特征值，然后根据特征空间 中类间距和类内距选择算法挑选出一组最有效、分类效果最好的特征，最后利用最有效特 征进行绝缘子检测(基于纹理特征的绝缘子检测方法杨翠茹电气技术2010. (7) :46-48)。 Xinye Zhang等人提出首先利用图像的灰度化、增强和形态学处理，完成对图像的去噪处 理，然后采用基于Hough变换的方法对绝缘子图像进行方向校正。方向校正后的图像被分 成10个部分，每一部分用7个纹理特征进行表示。通过分析7个特征的曲线，来对绝缘子 进行检测（A Method of Insulator Fault Detection from Airborne Images. 2010Second WRI Global Congress on Intelligent Systems. 200-203)。
[0006] 造成绝缘子目标识别的主要困难体现在：较低级的图像处理过程很少能给出目标 完整而准确的轮廓。在使用边缘检测技术的系统中，由于噪声的影响，与原始绝缘子图像 中一条实际边缘对应的往往不是一条连续的线段，而是由许多碎片（小线段）组成的。这些 碎片一方面可能是由于噪声的影响，使得边缘的连续性不好，而在非边缘处产生了较大的 灰度突变；另一方面，由于具体场景的复杂性，目标的周围可能存在树木，电线杆、车辆等目 标、目标本身或者其他目标产生的阴影的覆盖，产生了一些无益的边缘。这些边缘不但增加 了检测的计算量，而且很可能导致错误的检测。基于纹理的方法，对于复杂场景绝缘子检测 的鲁棒性也比较弱。
【发明内容】
[0007] 为了解决以上问题，本发明的目的在于提出一种具有准确性，实时性的基于基于 正交方向投影的绝缘子检测方法，有效的解决了无人机在复杂背景下对绝缘子进行巡检的 技术问题。
[0008] 本发明采用的技术方案是：一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法，通过无人 机上搭载的摄像机或照相机获得场景的视频或照片信息，对视频或照片信息进行图像识别 来检测高压输电线路中的绝缘子，包括以下步骤：
[0009] 将摄像机或照相机获得的原始图像经二值化处理后进行水平方向投影，获取目标 物区域的上下边界，按照上下边界对目标物进行切割，去除上下边界以外的图像区域得到 保留图像；然后利用PCA方法得到保留图像中目标物的主方向与水平方向的夹角；再对保 留图像进行方向校正得到校正图像；
[0010] 根据校正图像在垂直方向的积分投影曲线获取目标物的水平方向边界并得到目 标物图像，根据绝缘子特征判断目标物图像是否为绝缘子；如果是，对该目标物图像坐标进 行反变换，即可获得绝缘子在原始图像中的水平位置；目标物区域的上下边界即为原始图 像中的垂直位置。
[0011] 所述将摄像机或照相机获得的原始图像经二值化处理后进行水平方向投影，获取 目标物区域的上下边界具体为：根据图像投影曲线
【权利要求】
1. 一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法，通过无人机上搭载的摄像机或照相机获 得场景的视频或照片信息，对视频或照片信息进行图像识别来检测高压输电线路中的绝缘 子，其特征在于包括以下步骤： 将摄像机或照相机获得的原始图像经二值化处理后进行水平方向投影，获取目标物区 域的上下边界，按照上下边界对目标物进行切割，去除上下边界以外的图像区域得到保留 图像；然后利用PCA方法得到保留图像中目标物的主方向与水平方向的夹角；再对保留图 像进行方向校正得到校正图像； 根据校正图像在垂直方向的积分投影曲线获取目标物的水平方向边界并得到目标物 图像，根据绝缘子特征判断目标物图像是否为绝缘子；如果是，对该目标物图像坐标进行反 变换，即可获得绝缘子在原始图像中的水平位置；目标物区域的上下边界即为原始图像中 的垂直位置。
2. 根据权利要求1所述的一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法，其特征在于：所 述将摄像机或照相机获得的原始图像经二值化处理后进行水平方向投影，获取目标物区 域的上下边界具体为：根据图像投影曲线
》及设定的阈值对曲线进行二值 化，其中，二值图舊
，f(i，j)为灰度图像，g为阈值；值为1 的曲线中的最大、最小坐标为绝缘子的上、下边界点；分别通过上、下边界点的水平直线为 上、下边界。
3. 根据权利要求1所述的一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法，其特征在于：所 述利用PCA方法得到保留图像中目标物的主方向与水平方向的夹角包括以下步骤： 在保留图像中，将值为1的像素坐标的协方差矩阵C进行SVD分解得到C = QAQ' Q G R2X2, A = diagUi，X2) G R2X2;^、入2为矩阵特征值；如果^ <入2,则绝缘子主 方向与水平方向的夹角为//%), D = Qll，0]T G R2X1。
4. 根据权利要求1所述的一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法，其特征在于：所 述对保留图像进行方向校正得到方向校正后的图像具体为： 在保留图像内，将校正后的值为1的像素坐标矩阵A' = AR。e ZmX2替代原来的坐标矩 阵A e ITX2, m为像素亮度值为1的像素个数。
5. 根据权利要求1所述的一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法，其特征在于：所 述积分投影曲钱
为像素亮度值为1的像素个数。
6. 根据权利要求1所述的一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法，其特征在于：所 述根据积分曲线获取目标物的水平方向边界包括以下步骤： 以投影积分曲线中变化率为零的小线段为间隔，对投影积分曲线进行分段；对每一段 变化率不为零的小线段进行直线方程的拟合，得到每段小线段的斜率K和截距B ; 将每段小线段的K和B代入校正图像的近似拟合直线方程，其中长度最大且误差最小 的线段的横坐标最小和最大值，即是目标物的左右边界。
7. 根据权利要求1所述的一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法，其特征在于：所 述绝缘子特征通过以下步骤得到： 根据左右边界将目标物图像左右分割并再次进行垂直方向投影；根据设定的阈值对投 影得到的积分投影曲线进行二值化；然后统计二值化结果中，值为1的数值串的个数、值 为〇的数值串的个数f2、值为1的数值串的方差f3、值为〇的数值串的方差f4;绝缘子的特 征为 X = [Xi，x2, x3, x4, 1]T，Xi = ，x2 = l/(f2_a)，x3 = l/f3, x4 = l/f4，a 为绝缘 子瓷瓶个数。
8. 根据权利要求1所述的一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法，其特征在于：所 述判断目标物是否为绝缘子包括以下步骤： 训练判别函数：将目标函娄
经最大似然估计得到0的迭代 公式 0』：=0 j+a (y(1)-h0 (xW))x(J)，得到参数 0 = [ 0 " 0 2，0 3，0 4，0 5]T ;其中，x(1) 为训练集中第i个训练样本的特征向量，y(i)为第i个训练样本的类别标签，如果第i个 训练样本是绝缘子的特征向量，则y(1)=l，否则为〇;0 = [^，02，03，95]T为参数，
绝缘子识别：将得到的参数e代入判别函I
输入一个新的 特征向量X，如果he (X)超过设定值，则目标物是一个绝缘子，否则所选不是一个绝缘子。
9. 根据权利要求1所述的一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法，其特征在于：所 述对目标物图像坐标进行反变换具体为： 如果判定目标物是绝缘子，则对该目标物图像的左右边界点进行反变换，即该目标物 图像左右边界点在原始图像中的位置B = B' R。'其中B e R1X2, R，为旋转矩阵R。的逆 矩阵，B' e R1X2为该目标物图像的左右边界点坐标。
【文档编号】G06K9/66GK104281857SQ201310285537
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月8日 优先权日:2013年7月8日
【发明者】李冰锋, 唐延东, 赵庆杞, 丛杨, 刘刚, 李文涛, 夏泳, 杜科, 王玲 申请人:中国科学院沈阳自动化研究所, 辽宁省电力有限公司本溪供电公司