專利名稱：基于仿射不變矩的電氣化鐵路絕緣子片間異物污染故障檢測方法
技術領域：
本發明涉及的是電氣化鐵路接觸網絕緣子片間異物污染故障檢測領域，包括圖像圖元的快速分類，故障的準確識別定位領域。
背景技術：
在接觸網懸掛裝置中，絕緣瓷瓶起著隔離其帶電部分與非絕緣部分的重要作用。由于其長期曝露在外，會受到一定程度的污染，包括塵土，機車路過濺起的石子等。同時石子等異物長時間夾在絕緣瓷瓶間，可能導致瓷片出現裂痕，甚至破損等不良狀態。這些不良狀態將降低其絕緣性能，嚴重時會危害人員安全，造成跳閘事故。因此，有必要檢查絕緣瓷 瓶有無異物污染故障。目前我國鐵路供電部門對絕緣子瓷瓶的檢查主要為人工方式，定期對絕緣子進行清掃和逐個檢查。這種方式效率低，很難實時監控絕緣子狀態，因此有必要研究絕緣子實時自動檢測方法。目前，整個弓網系統中的圖像監控及分析研究主要集中于受電弓的識別定位和故障檢測以及接觸網的幾何參數檢測上。陳維榮等研究了基于邊緣提取、形態學圖像處理等方法的受電弓滑板狀態監測[陳維榮，馮倩，張健，等.受電弓滑板狀態監測的圖像目標提取[J].西南交通大學學報.2010，45 (1):59-64. J0馬莉等利用同態濾波和邊緣檢測分析了受電弓定位問題[馬莉，王澤勇，高曉蓉，等.圖像處理技術在受電弓滑板檢測中的應用[J].機車電傳動.2009(05):52-53]。馮倩等利用邊緣檢測和形態學圖像處理進行受電弓滑板的磨耗測量[馮倩，陳維榮，王云龍，等.受電弓滑板磨耗測量算法的研究[J].鐵道學報.2010,32 (1):109-113.]。韓志偉等研究了利用CXDP變換進行受電弓裂紋檢測的方法[韓志偉，劉志剛，陳坤峰，等.基于二代曲波系數定向映射的受電弓滑板裂紋檢測技術[J]·鐵道學報.2011 (11):63-69. ]0 Niwakawa等人研究了利用小型化圖像檢測設備進行弓網檢測[Niwakawa M, Onda T, KinoshitaN. Stereo Vision Based Measurement ofIntersections of Overhead Contact wires and Pantograph of KYUSHUSHINKANSEN[J].IEEJ Transactions on Industry Applications. 2007,127 (2) :118-123.]。牛大鵬等研究了利用非接觸式方法對接觸網進行幾何參數檢測的方法[牛大鵬.非接觸式接觸網幾何參數檢測系統研究[D].西南交通大學，2008.]。范虎偉研究了利用圖像處理方法對接觸線定位器定位坡度進行檢測[范虎偉，卞春華，朱挺，等.非接觸式接觸網定位器坡度自動檢測技術[J]·計算機應用.2010,30 (S2) :102-103.]。楊翠茹利用圖像的灰度共生矩檢測和定位電力系統中的絕緣子[楊翠茹.基于紋理特征的絕緣子檢測方法[J].電氣技術.2010
(7):46-48.]。但由于接觸網懸掛裝置圖像過于復雜，目前國內外通過圖像處理方法進行絕緣瓷瓶故障分析與檢測的研究甚少。

發明內容
本發明的目的在于提供一種基于圖像處理理論方法的電氣化鐵路絕緣子片間異物污染故障的自動識別與定位方法，使之通過將復雜圖像分類，簡化背景，克服全局圖像中絕緣子識別定位困難的問題，提高檢測的效率和準確性。本發明采用的技術是基于仿射不變矩的電氣化鐵路絕緣子片間異物污染故障檢測方法，利用Hough變換線段檢測將檢測圖像分為桿狀物類和絕緣子類；應用仿射不變矩識別并精確定位絕緣子類中的絕緣子；對提取的絕緣子進行角度校正，膨脹運算操作，局部對比度調節等預處理；求取預處理后絕緣子的灰度統計曲線圖，根據灰度圖中條帶寬度判斷并定位絕緣子故障。將拍攝采集的圖像儲存在圖像庫中。由于實際圖像內容繁多，而桿狀物并非后續處理對象，因此首先將檢測圖像的基本圖元大致分為桿狀物和絕緣子兩類，從而使后續處理對象簡化為絕緣子類，以提高識別和定位的速度與準確性，同時提高檢測的效率。具體工作如下
A、全局圖像基本圖元的預分類由于傳統Hough變換檢測結果為直線，本發明應用能得到端點的Hough線段檢測算法。但由于實際圖像曝光不均等原因，導致桿狀物灰度分布不均勻，邊緣對比度低，使得其邊緣不連貫，不清晰，從而導致線段檢測結果為分布在對應邊緣附近的大量小線段。為得到真實端點，需要正確聚類檢測到的小線段。分以下幾步解決上述定位困難的問題(I)Hough變換線段檢測得到桿狀物的邊緣線段數組，儲存各線段數組和其對應的Θ值，以及Θ數組的長度L ；(2)根據Θ值分別將對應桿狀物旋轉至水平方向，第(I)步中檢測到的邊緣線段也同時旋轉同樣角度。每次旋轉后，計算各線段的斜率，清除斜率非零的線段，完成該水平桿狀物邊緣線段的聚類；(3)求取水平線段數組中X，y的最值，即為該水平桿狀物的端點；(4)將上一步定位到的桿狀物置為背景，同時將其對應的線段數組置零，然后將圖像回轉(2)中Θ值，還原圖像角度；(5)回至步驟(2)，重復(2) (3) (4)步驟L/2次，完成全局圖像中桿狀物和絕緣子的分類。B、絕緣子的識別與定位通過求解偏微分方程組系數法求得仿射不變矩，使用前3個仿射不變矩參與絕緣子圖像的識別，前三個仿射不變矩公式為Z1 = (/i20iu02 — μιι) / μ00(I)
r _ Μ；0μ - 6μΜμη,μ2}μη + 4μ(α/4 + 4μΜμ^2 - 3^,/4…
L0017J i2 -jpi(2J
Γηη.ο J _ ^20^21^03 — ^2θΜ~2 — M 1^30^03 + / / / + ^02^30^2 —”、
L0018J iS —7(3)其中，μΜ =丄+二仁(尤--奶>’->’)4/(尤，_>妙辦,抑=0，1,2,.“，為灰度圖像f(x，y)定義P+q階中心矩，Cy,y)為灰度圖像f (X，Y)的灰度質心；首先將絕緣子類中的連通區域逐個標記，然后根據(I)、(2)、(3)分別計算出每個連通區域圖像的仿射不變矩，再計算其仿射不變矩與絕緣子模版仿射不變矩的歐氏距離，最終通過所設距離閾值準確識別并定位絕緣子。C、絕緣子預處理a、絕緣子角度校正由于傾斜角度不便于絕緣子不良狀態的分析，因此在提取出絕緣子后首先校正其角度，將非水平方向上的絕緣子旋轉至水平方向。邊緣檢測得到其邊緣曲線I1和I2，通過對I1和I2進行直線擬合，得到絕緣子的對稱直線1，求得I的斜率，即得到絕緣子與水平方向的夾角Θ，絕緣子的旋轉角度即為180° -Θ。b、形態學膨脹運算由于絕緣子表面的異物一般體積較小，加上圖像的曝光不均衡等原因，導致異物特征不是很明顯。為了保證異物特征不丟失，對提取的絕緣子圖像先進行形態學膨脹運算以突出可能存在的異物特征。膨脹運算定義為dilation(A, B) = {a+b | a e A, b e B}其中，A，B為圖像像素集合，a，b為形態學模板范圍內的圖像像素點，膨脹運算a+b表示膨脹模板范圍內任意一點存在圖像則全部模板內填充同樣像素，腐蝕運算a| (a+b)表示腐蝕模板范圍內全部存在則保留模板中心位置像素點。形態學閉運算為一個先膨脹后腐蝕的過程，其目的是為了填充物體內細小空洞、連接鄰近物體。本發明通過大量實驗經驗，最終選用4X8的矩形模塊進行膨脹操作。C、絕緣子局部對比度調節為提高絕緣子片與片間的對比度，對膨脹運算后的絕緣子進行對比度調節。由于全局的對比度調節并不能有效地改善局部對比度，本發明對絕緣子進行局部對比度調節。
權利要求
1.基于仿射不變矩的電氣化鐵路絕緣子片間異物污染故障檢測方法，通過基于圖元分類，簡化背景，降低了全局圖像識別定位的難度，具體分為以下步驟 A、基于Hough變換線段檢測的全局圖像基本圖元預分類 將拍攝采集的圖像儲存在圖像庫中；對全局圖像基本圖元進行預分類，為得到真實端點，分取以下步驟 (1)Hough變換線段檢測得到桿狀物的邊緣線段數組，儲存各線段數組和其對應的e值，以及e數組的長度L ； (2)根據e值分別將對應桿狀物旋轉至水平方向，第(I)步中檢測到的邊緣線段也同時旋轉同樣角度；每次旋轉后，計算各線段的斜率，清除斜率非零的線段，完成該水平桿狀物邊緣線段的聚類； (3)求取水平線段數組中X，y的最值，即為該水平桿狀物的端點； (4)將上一步定位到的桿狀物置為背景，同時將其對應的線段數組置零，然后將圖像回轉⑵中0值，還原圖像角度； (5)回至步驟(2)，重復(2)(3) (4)步驟L/2次，完成全局圖像中桿狀物和絕緣子的分類； B、基于仿射不變矩的絕緣子識別與定位 應用具有旋轉、仿射不變性的仿射不變矩識別定位絕緣瓷瓶；
全文摘要
本發明涉及一種基于仿射不變矩的電氣化鐵路絕緣子片間異物污染故障檢測方法。針對原始圖像內容多，絕緣子檢測問題的背景復雜等，提出一種將全局圖像分類，利用仿射不變矩快速、準確識別定位絕緣子，再對其進行故障檢測的方法。利用Hough變換線段檢測識別歸類桿狀物，將其置為背景后即得到絕緣子類；然后在絕緣子類中應用仿射不變矩提取絕緣子；為解決絕緣子角度變化不一問題，對其邊緣曲線進行直線擬合得到其旋轉角度；為避免異物特征丟失，利用形態學膨脹運算放大絕緣子特征；為提高絕緣子圖像局部對比度，將其每片分為一塊進行局部對比度調節；再對其按每列進行灰度統計，最終通過灰度統計圖中的條帶寬度識別并定位故障。本發明基于先分類的方法，簡化了絕緣子的背景，有效地提高了絕緣子識別定位的速度和準確性，降低了故障檢測的難度，為電氣化鐵路絕緣性能檢測提供一種可行的參考。
文檔編號G06K9/62GK102737252SQ20121017755
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月1日 優先權日2012年6月1日
發明者劉志剛, 楊紅梅, 韓志偉, 韓燁 申請人:西南交通大學