基于灰度方差归一化的输电导线断股检测技术制造技术

本发明专利技术是一种基于灰度方差归一化的输电导线断股检测技术，步骤包括：1)获取输电线路导线的俯拍视频图像I1，进行灰度化、中值滤波与直方图均衡化处理，得到灰度图像I2；2)对灰度图像I2灰度方差归一化处理；3)采用自适应阈值分割方法对图像I3进行分割处理及形态学处理，拟合输电导线区域中心轴、1/4和3/4厚度轴线；4)根据拟合的轴线方程从预处理后的灰度图像I2中获取中轴线、1/4和3/4厚度轴线上的灰度值方波图；5)对导线各轴线方波的完整Z字波形宽度进行统计分析，得到导线单股导线宽度图；若出现断股，所有连续非完好单股导线波形表征的导线断股根数的最大值，即为输电导线的实际断股根数的检测结果。

Detection technology of transmission line broken stock based on gray variance normalization

The invention is a transmission line strand breakage detection technology based on gray variance normalization. The steps include: 1) acquiring the overhead video image I1 of transmission line conductor, graying, median filtering and histogram equalization processing, and obtaining gray image I2; 2) normalizing gray variance of gray image I2; 3) adopting adaptive processing; The image I3 is segmented and morphologically processed by threshold segmentation method to fit the central axis, 1/4 and 3/4 thickness axes of the transmission line area; 4) Gray value square wave maps of the central axis, 1/4 and 3/4 thickness axes are obtained from the pre-processed gray image I2 according to the fitting axes equation; 5) Complete Z-word of the square wave of each axis of the transmission line is obtained. Statistical analysis of waveform width is carried out to obtain the width diagram of single strand conductor. If strand breakage occurs, the maximum number of strand breakage elements represented by waveform of all continuous and imperfect single strand conductors is the actual number of strand breakage elements of transmission lines.

【技术实现步骤摘要】
基于灰度方差归一化的输电导线断股检测技术
本专利技术属于电力输电线路监测
，涉及一种基于灰度方差归一化的输电导线断股检测技术。
技术介绍
输电线路是电力系统的动脉，输电导线是输电线路的重要组成部件，由于外力破坏、气象灾害、线路老化等因素造成的输电导线断股严重威胁输电线路稳定运行，造成严重后果。随着电网容量不断扩大，设备大量增加，现有的人工输电线路巡检方式对输电线路运行状态的检测也越来越困难。在这种情况下，输电线路的运行状态和故障隐患的不可知性与大电网安全稳定运行的矛盾日趋突出。随着直升机与无人机输电线路巡检作业的普及，为通过图像处理与识别技术实现输电线路故障的自动检测提供了发展机遇。通过对输电导线的无人机巡线航拍视频/图像进行图像处理，能够实现输电导线运行状态的实时检测，有效保障电网的安全运行。因此，研究基于灰度方差归一化的输电导线断股在线检测技术，具有非常重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于灰度方差归一化的输电导线断股检测技术，解决了现有技术采用人工输电线路巡检方式，费时费力，检测误差率大的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种基于灰度方差归一化的输电导线断股检测技术，按照以下步骤具体实施：步骤1，通过无人机上安装的图像采集设备顺应太阳光照射方向获取输电线路导线的俯拍视频图像I1；对获取的输电导线俯拍视频图像I1进行灰度化处理；由于灰度化图像对比度低且受各类噪声干扰，再对灰度化图像进行中值滤波与直方图均衡化处理，得到去噪增强后的灰度图像I2，获取图像灰度分散度分布特征；步骤2，针对获取的输电导线图像中导线区域清晰度高，背景区域清晰度低的图像特点，对灰度图像I2进行灰度方差归一化处理，突出输电导线图像中的导线区域；步骤3，采用自适应阈值分割方法对图像I3进行分割处理及形态学处理，通过图像映射实现导线区域的准确获取，并拟合输电线路导线区域中心轴、1/4和3/4厚度轴线；步骤4，根据拟合的轴线方程从预处理后的灰度图像I2中获取中轴线、1/4和3/4厚度轴线上的灰度值方波图；步骤5，为清晰表示图像p中导线各轴线区域Z字波形宽度的整体分布，对导线各轴线方波的完整Z字波形宽度进行统计分析，得到导线单股导线宽度图；当检测宽度超过摄像机标定标准计算检测精度，标识为非完好单股导线波形；若出现断股，所有连续非完好单股导线波形表征的导线断股根数的最大值，即为输电导线的实际断股根数的检测结果。本专利技术的有益效果是，针对目前国内外关于输电线路导线断股检测问题相关报道和研究少这一研究现状，本专利技术通过灰度方差归一化方法突出导线区域，转换传统仅通过图像像素点灰度值对目标图像进行图像处理的理念，以像素点灰度值的分散程度为研究对象进行下一步图像处理，能够克服航拍输电导线图像背景复杂以及光照的影响，在减少数据量的同时在复杂背景中突出目标，其同样适用于其他采集图像目标与背景距离较远的图像分割。其中，提出的根据导线表面中心轴灰度值分布进行输电导线断股检测的方法，通过拟合导线轴线、二值化处理和完好导线横向轴线灰度值分布固有的似周期循环性分析，将导线的断股检测问题简化为一维数据处理问题，实现导线断股的准确识别，为无人机巡检输电导线断股故障提供了一种新的思路。附图说明图1是本专利技术输电导线断股检测方法的流程图；图2a是本专利技术方法中的灰度方差归一化3*3模板示意图；图2b是本专利技术方法中的灰度方差归一化5*5模板示意图；图3a是完好输电导线灰度方差归一化处理结果图；图3b是断股输电导线灰度方差归一化处理结果图；图4a是本专利技术方法中的完好输电线路导线检测结果流程图；图4b是本专利技术方法中的输电线路导线断股检测结果流程图。具体实施方式由于在太阳光的正面照射下，输电导线图像中各单股导线衔接处灰度值较低，而各单股导线表面灰度值较高，因输电导线结构的循环特征完好导线表面灰度值呈现一种似周期循环特性。输电导线一旦发生断股，就会导致单股导线翘起或脱股。由于输电导线内外层单股导线绕行方向相反且缠绕角度不同，单股导线横向间距发生变化，受断股处内层输电导线部分区域灰度值低的影响，相应区域中心轴对应的单股导线间横向灰度值构成的似周期特性遭到破坏。据此，本专利技术通过对输电线路导线图像进行灰度化处理，突出输电线路导线目标域；采用中值滤波和直方图均衡化分别进行图像去噪和图像增强；由灰度方差归一化和Otsu阈值分割算法对输电导线进行分割提取；通过形态学滤波，获取完整的输电线路导线目标域。针对输电线路断股导致的横向周期性改变这一现象，本专利技术通过对分割获取的输电导线目标域在灰度图像的中心轴的灰度值分布进行特征分析，实现输电线路导线断股根数的识别。为克服输电线路导线中噪声的干扰，增强本专利技术方法的鲁棒性，对输电线路导线1/4和3/4厚度轴线处进行相同处理，对三者获取的输电线路导线断股结果取最大值作为输电线路最终的检测结果，该方法将输电导线断股检测转换为对导线横向中心轴灰度分布的周期性检测，实现导线断股的准确识别。参照图1，本专利技术的方法，按照以下步骤具体实施：步骤1，通过无人机上安装的图像采集设备顺应太阳光照射方向获取输电线路导线的俯拍视频图像I1并对获取的输电导线俯拍视频图像I1进行灰度化处理。由于灰度化图像对比度低且受各类噪声干扰的特点，对灰度化图像进行中值滤波与直方图均衡化处理，得到去噪增强后的灰度图像I2，获取图像灰度分散度分布特征；步骤2，针对获取的输电导线图像中导线区域清晰度高，背景区域清晰度低的图像特点，对灰度图像I2进行灰度方差归一化处理，突出输电导线图像中的导线区域。灰度方差归一化处理的具体步骤如下：以尺寸为3*3的模板中心点为导向，依次遍历整幅图像各像素点，根据公式(1)计算遍历模板内各像素点的灰度值均值、各遍历点的方差及归一化值：其中，为模板内各像素点灰度值均值，Qi为模版内第i个像素点的灰度值，根据公式(2)计算各处理单元灰度值方差：其中，q5为一个处理单元模板中重阴影像素点的灰度值方差，遍历整幅图像获取原图对应的完整灰度方差图，通过公式(3)计算各坐标归一化后的像素值：其中，m(x,y)为坐标(x，y)处归一化后的像素值，设图像尺寸为N×M，则x＝1,2,3,...,N，y＝1,2,3,...,M；qmax为灰度方差图像灰度值的最大值；qmin为灰度方差图像灰度值的最小值；q(x,y)为像素点(x,y)处灰度方差图像的灰度值，得到处理后的图像I3；该方法将传统仅通过图像像素点灰度值为研究对象转换为以像素点灰度值的分散程度为研究对象分析特征进行下一步图像处理。直接灰度变换、RGB颜色分量、HSI颜色分量中的亮度图及HSV颜色分量中的明度图的处理效果类似，它们均能降低彩色输电导线的维度，但在保留导线目标区域的像素信息的同时，不能同时有效地抑制输电线路导线复杂背景的影响，为下一步输电线路导线目标区域的分割提取带来极大的挑战；导线图像色调分量图部分能有效突出输电线路导线目标区域，但仍会因为部分色调较高的复杂背景的影响，不能有效突出导线的目标区域；由于航拍获取输电导线图像的饱和度普遍偏低，饱和度分量图的处理效果均不够理想。相较之下，本专利技术提出的灰度值方差归一化方法的灰度处理效果，根据航拍获取的输电导线图像目标区域分辨率高及背景区域分辨率低的图像特征，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于灰度方差归一化的输电导线断股检测技术，其特征在于，按照以下步骤具体实施：步骤1，顺应太阳光照射方向获取输电线路导线的俯拍视频图像I1；对获取的输电导线俯拍视频图像I1进行灰度化处理；再对灰度化图像进行中值滤波与直方图均衡化处理，得到去噪增强后的灰度图像I2，获取图像灰度分散度分布特征；步骤2，对灰度图像I2进行灰度方差归一化处理，突出输电导线图像中的导线区域；步骤3，采用自适应阈值分割方法对图像I3进行分割处理及形态学处理，通过图像映射实现导线区域的准确获取，并拟合输电导线区域中心轴、1/4和3/4厚度轴线；步骤4，根据拟合的轴线方程从预处理后的灰度图像I2中获取中轴线、1/4和3/4厚度轴线上的灰度值方波图；步骤5，为清晰表示图像p中导线各轴线区域Z字波形宽度的整体分布，对导线各轴线方波的完整Z字波形宽度进行统计分析，得到导线单股导线宽度图；当检测宽度超过摄像机标定标准计算检测精度，标识为非完好单股导线波形；若出现断股，所有连续非完好单股导线波形表征的导线断股根数的最大值，即为输电导线的实际断股根数的检测结果。

【技术特征摘要】
1.一种基于灰度方差归一化的输电导线断股检测技术，其特征在于，按照以下步骤具体实施：步骤1，顺应太阳光照射方向获取输电线路导线的俯拍视频图像I1；对获取的输电导线俯拍视频图像I1进行灰度化处理；再对灰度化图像进行中值滤波与直方图均衡化处理，得到去噪增强后的灰度图像I2，获取图像灰度分散度分布特征；步骤2，对灰度图像I2进行灰度方差归一化处理，突出输电导线图像中的导线区域；步骤3，采用自适应阈值分割方法对图像I3进行分割处理及形态学处理，通过图像映射实现导线区域的准确获取，并拟合输电导线区域中心轴、1/4和3/4厚度轴线；步骤4，根据拟合的轴线方程从预处理后的灰度图像I2中获取中轴线、1/4和3/4厚度轴线上的灰度值方波图；步骤5，为清晰表示图像p中导线各轴线区域Z字波形宽度的整体分布，对导线各轴线方波的完整Z字波形宽度进行统计分析，得到导线单股导线宽度图；当检测宽度超过摄像机标定标准计算检测精度，标识为非完好单股导线波形；若出现断股，所有连续非完好单股导线波形表征的导线断股根数的最大值，即为输电导线的实际断股根数的检测结果。2.根据权利要求1所述的基于灰度方差归一化的输电导线断股检测技术，其特征在于，所述的步骤2中，灰度方差归一化处理的具体步骤如下：以尺寸为3*3的模板中心点为导向，依次遍历整幅图像各像素点，根据公式(1)计算遍历模板内各像素点的灰度值均值、各遍历点的方差及归一化值：其中，为模板内各像素点灰度值均值，Qi为模版内第i个像素点的灰度值，根据公式(2)计算各处理单元灰度值方差：其中，q5为一个处理单元模板中重阴影像素点的灰度值方差，遍历整幅图像获取原图对应的完整灰度方差图，通过公式(3)计算各坐标归一化后的像素值：其中，m(x,y)为坐标(x,y)处归一化后的像素值，设图像尺寸为N×M，则x＝1,2,3,...,N，y＝1,2,3,...,M；qmax为灰度方差图像灰度值的最大值；qmin为灰度方差图像灰度值的最小值；q(x,y)为像素点(x,y)处灰度方差图像的灰度值，得到处理后的图像I3。3.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄新波，章小玲，刘新慧，刘成，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61