一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术通过理论仿真和大量的实验验证，证明本发明专利技术检测速度快、检测精度高，能够满足无人机巡检要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正交方向投影的绝缘子检测方法
本专利技术涉及图像处理、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。
技术介绍
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。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。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（1）：101-104）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EOV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）。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）。XinyeZhang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（AMethodofInsulatorFaultDetectionfromAirborneImages.2010SecondWRIGlobalCongressonIntelligentSystems.200-203）。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。
技术实现思路
为了解决以上问题，本专利技术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。本专利技术采用的技术方案是：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：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。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，二值图像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。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＝QΛQ-1，Q∈R2×2，Λ＝diag(λ1,λ2)∈R2×2；λ1、λ2为矩阵特征值；如果λ1＜λ2，则绝缘子主方向与水平方向的夹角为，D＝Q-1[1,0]T∈R2×1。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'＝ARo∈Zm×2替代原来的坐标矩阵A∈Rm×2，m为像素亮度值为1的像素个数。所述积分投影曲线m为像素亮度值为1的像素个数。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。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f1、值为0的数值串的个数f2、值为1的数值串的方差f3、值为0的数值串的方差f4；绝缘子的特征为x＝[x1,x2,x3,x4,1]T,x1＝1/(f1-a)，x2＝1/(f2-a)，x3＝1/f3，x4＝1/f4，α为绝缘子瓷瓶个数；。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：将目标本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；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：将目标函数经最大似然估计得到θ的迭代公式θj:＝θj+α(y(i)-hθ(x(i)))x(j)，得到参数θ＝[θ1,θ2,θ3,θ4,θ5]T；其中，x(i)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(i)＝1，否则为0；θ＝[θ1,θ2,θ3,θ4,θ5]T为参数，绝缘子识别：将得到的参数θ代入判别函数输入一个新的特征向量x，如果hθ(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；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'Ro-1，其中B∈R1×2，Ro-1为旋转矩阵Ro的逆矩阵，B'∈R1×2为该目标物图像的左右边界点坐标。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，二值图像f(i,j)为灰度图像，g为阈值；值为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李冰锋，唐延东，赵庆杞，丛杨，刘刚，李文涛，夏泳，杜科，王玲，
申请(专利权)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，
类型：发明
国别省市：辽宁;21