基于二值图像形状特征的航拍绝缘子串自动定位方法
【专利摘要】本发明公开了属于图像处理技术及输变电设备运行状态检修领域的一种基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法，该方法具体步骤为：1)对二值图像进行形态学滤波及去除小区域处理；2)对绝缘子串的三个形状特征进行数字化描述，以此为依据对图像进行处理，去除不满足三个形状特征的区域，保留满足3个形状特征的区域；3)采用最小外接矩形标记图像中满足绝缘子串形状特征的区域，实现定位。本发明充分利用了绝缘子串存在的形状特征，然后采用基于二值图像形状特征描述的方法，解决了复杂背景航拍图像中绝缘子串定位困难的问题；该发明切实可行，并取得了较好的定位效果，且所需时间短，无需人工参与，对相关问题的方案设计有一定的借鉴意义。
【专利说明】基于二值图像形状特征的航拍绝缘子串自动定位方法
【技术领域】
[0001]本发明属于图像处理技术及输变电设备运行状态检修领域，特别涉及一种基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法。
【背景技术】
[0002]对图像中感兴趣的目标进行定位是图像处理、计算机视觉等领域的关键技术，其目的是将图像中的某些重要目标所在位置信息提取出来，从而为该目标识别及后续处理奠定基础。航拍绝缘子串自动定位是实现绝缘子状态监测及故障诊断的重要前提，具有重大实际意义。
[0003]现有定位方法大体上有3类:(1)基于分割的方法，将原始图像分为多个区域，并标记感兴趣的区域；该方法存在的问题是需要手动设置目标所在的灰度等级，且定位精度低，应用到自动化监测中较为困难。(2)基于边缘检测的方法，找到感兴趣目标的轮廓，实现定位；该方法存在的问题是对噪声敏感，用于背景复杂、分辨率低、噪声较高的航拍图像准确性较低，且由于背景复杂，边缘变化繁多等原因导致运行速度缓慢。(3)基于纹理的方法，分析感兴趣目标的纹理特征，并以此为判据将目标位置提取出来；该方法最大的问题是提取纹理信息需要大量时间，且对于某些与绝缘子串纹理特征相近的伪目标难以区分。
[0004]现有方法没有考虑绝缘子串在分割后的二值图像中的独特形状特征。绝缘子串与塔杆、线路等目标具有较明显的形状差异，二值化后这种形状特征更加突出，如果能对其加以利用，可以提闻定位精度，减少耗时，提闻自动化性能。
【发明内容】
[0005]针对上述现有技术存在的问题，本发明提出一种基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法，其特征在于，该方法具体步骤如下:
[0006]I)对二值图像进行形态学滤波及去除小区域处理；
[0007]2)对绝缘子串的3个形状特征进行数字化描述，以此为依据对图像进行处理，去除不满足3个形状特征的区域，保留满足3个形状特征的区域；
[0008]3)采用最小外接矩形标记图像中满足绝缘子串形状特征的区域，实现定位。
[0009]所述步骤I)的具体步骤为:
[0010]11)先对二值化后的航拍绝缘子图像进行形态学腐蚀运算，在纤细点处分离物体，去除极小面积的噪声；
[0011]12)再进行形态学膨胀运算，填补目标内部空洞，平滑较大物体的边界；其中，为了更好的达到充分平滑目标边界的目的，选择滤波的形状参数为“圆形”;
[0012]13)经过两次形态学运算后残留有一些小区域，去掉区域面积小于mXnX 1.5X 10_5的区域，其中m，η分别为二值图像的行数和列数。
[0013]所述步骤2)中绝缘子串的3个形状特征为:
[0014]形状特征1:绝缘子串包含若干个伞盘，且每个伞盘厚度相等；[0015]形状特征2:伞盘边缘的厚度小于中心的厚度，从边缘到中心厚度逐渐增大；
[0016]形状特征3:每个伞盘之间的间隔距离较小且数值相等。
[0017]所述步骤2)的具体步骤为:
[0018]21)采用图-数转换方法将形状特征进行数字化描述，把二值图像中的目标值设为I，背景值设为O，提取目标信息；
[0019]22)把图像的每一列分别提取出来，得到η组只包含O和I的数字序列{ I1, I2,，13，…，lj，…，1η}，η为图像的列数；
[0020]23)对这些数字序列进行形状特征描述，从序列中去除非绝缘子目标，再将序列转化为矩阵，重构二值图像。
[0021]所述步骤23)中对形状特征I的描述及处理为:
[0022]al)在序列Ij中搜索由I变为O的像素点,记录值为O的像素点的位置,此点即为边缘点；
[0023]bl)统计此边缘点之前连续I的个数，记为0，设边缘点有s个，则记录s个O值(O1, O2, O3,…，Oi,…，Os)；
[0024]
【权利要求】
1.基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法，其特征在于，该方法具体步骤如下: 1)对二值图像进行形态学滤波及去除小区域处理； 2)对绝缘子串的3个形状特征进行数字化描述，以此为依据对图像进行处理，去除不满足3个形状特征的区域，保留满足3个形状特征的区域； 3)采用最小外接矩形标记图像中满足绝缘子串形状特征的区域，实现定位。
2.根据权利要求1所述的基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法，其特征在于，所述步骤I)的具体步骤为: 11)先对二值化后的航拍绝缘子图像进行形态学腐蚀运算，在纤细点处分离物体，去除极小面积的噪声； 12)再进行形态学膨胀运算，填补目标内部空洞，平滑较大物体的边界；其中，为了更好的达到充分平滑目标边界的目的，选择滤波的形状参数为“圆形”; 13)经过两次形态学运算后残留有一些小区域，去掉区域面积小于mXnX1.5X10_5的区域，其中m，η分别为二值图像的行数和列数。
3.根据权利要求1所述的基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法，其特征在于，所述步骤2)中绝缘子 串的3个形状特征为: 形状特征1:绝缘子串包含若干个伞盘，且每个伞盘厚度相等； 形状特征2:伞盘边缘的厚度小于中心的厚度，从边缘到中心厚度逐渐增大； 形状特征3:每个伞盘之间的间隔距离较小且数值相等。
4.根据权利要求1所述的基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法，其特征在于，所述步骤2)的具体步骤为: 21)采用图-数转换方法将形状特征进行数字化描述，把二值图像中的目标值设为1，背景值设为O，提取目标信息； 22)把图像的每一列分别提取出来，得到η组只包含O和I的数字序列{I1,12,，I3,…，lj，…，1η}，η为图像的列数； 23)对这些数字序列进行形状特征描述，从序列中去除非绝缘子目标，再将序列转化为矩阵，重构二值图像。
5.根据权利要求3或4所述的基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法，其特征在于，所述步骤23)中对形状特征I的描述及处理为: al)在序列Ij中搜索由I变为O的像素点,记录值为O的像素点的位置,此点即为边缘占.bl)统计此边缘点之前连续I的个数，记为O，设边缘点有S个，则记录S个O值(OpO2,O3,…，Oi,…，Os)；{ d—(I) IlHi1nxil 式中:m是二值图像行数，是伞盘厚度系数，Nmin是绝缘子串中伞盘个数的最小值； 当数列满足公式(I)时，认为该位置边缘点属于真边缘点，保留该点信息；若不满足，则认为该位置边缘点属于伪边缘点，执行“去除”操作；Cl)以步骤bl)中判据为依据，遍历所有序列{11;12，，13，-,Ij,…，ln}，去除不满足形状特征I的区域。
6.根据权利要求3或4所述的基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法，其特征在于，所述步骤23)中对形状特征2的描述及处理为: a2)经过形状特征I处理后，图像变为多个非联通区域，设非联通区域有u个，将所有区域编号 1，2,3，..., i,..., u ； b2)对于每个区域,统计每列值为I的个数并保存为向量，记为G= {G1; G2, G3,…,Gi,…Gp),向量Gi中元素为该区域每列的长度，P为该区域中的非零列数；计算G中元素的差，得到长度为P-1的向量H，如公式(2)所示: Hi=Gw-Gi⑵ 公式(2)中，若H中元素Hi符号为均正时，该区域的厚度逐渐变大；若H中元素Hi符号为均负时，该区域的厚度逐渐变小，从而初步判断该区域属于绝缘子，保留该区域信息；c2)根据序列h中首个值为I出现的位置进一步去除非绝缘子目标，对于每个区域，统计每一列首个值为I的位置并记录，J= (J1, J2，J3,…，Ji,…，Jp};计算J中元素的差，得到长度为P-1的向量Ki,如公式(3)所示: Ki=Jw-Ji (3) 公式(2)和(3)中，当H中元素Hi符号为均正时，Ki应满足均负；当H中元素Hi符号为均负时，Ki应满足均正；区域i满足上述条件时，判断该区域属于绝缘子伞盘部分，保留该区域； d2)以步骤b2)和c2)中判据为依据，遍历所有u个区域，去除不满足形状特征2的区域。
7.根据权利要求3或4所述的基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法，其特征在于，所述步骤23)中对形状特征3的描述及处理为: a3)对形状特征2处理过的图像再次进行图-数转换得到η组O，I数字序列{f1; f2，f3，…，fj,…，fn}，η为图像的列数； b3)在序列fj中，搜索由O变为I的像素点，标记该位置,统计这些标记过的点之前连续O的个数，记为R ;设标记点有w个，则记录w个R值{R1; R2, R3, -,Ri, -Rw)； 当R满足公式(4)中条件时，认为该位置属于绝缘子伞盘的间隙，将该位置置为I ;当w〈Vmin时认为该位置不属于绝缘子，
8.根据权利要求1所述的基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法，其特征在于，所述步骤3)的具体步骤为: 31)经过步骤2)的形状特征处理步骤后，绝缘子串位置出现大面积联通区域，而其它位置有很多面积较小的非绝缘子目标；设计合适的阈值计算方法求取阈值，删除面积小于阈值的区域，得到只包含绝缘子串信息的二值图像； 32)采用最小外接矩形对目标标框，所得矩形框为绝缘子位置； 33)将矩形框标记在原始图像中，得到绝缘子串的最终自动定位结果。
9.根据权利要求8所述的基于二值图像形状特征的绝缘子串自动定位方法，其特征在于，所述步骤31)中阈值的计算采用最大区域相关法，步骤如下: 311)计算各个区域的面积，记录面积最大的4个区域的数值Pl，p2，P3,P4 ； 312)计算上述4个面积的均僅P 313)根据公式(5)计算阈值s;
【文档编号】G06K9/54GK103714342SQ201310711333
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】赵振兵, 王乐, 刘宁 申请人:华北电力大学（保定）