（电工理论与新技术专业论文）基于计算机视觉的绝缘子状态检测.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于计算机视觉的绝缘子状态检测， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件：学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 f 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题的提出及研究意义 第一章引言 长期以来，由于受地理环境等因素的限制，输电线路巡线工作主要靠人工目测 观察，这种传统的工作方式只能发现一些地面、杆塔底部的缺陷，以及玻璃绝缘子 自爆等一些比较简单易见的缺陷，工作效率较低。随着高电压、大功率、长距离输 电线路的出现，输电线路穿越的地理环境日趋复杂，给线路巡视带来很多困难，应 用直升飞机巡检输电线路已成为电力发展的趋势。 从上世纪5 0 年代开始，美国、加拿大、俄罗斯、法国等欧美一些发达国家就 已经将直升飞机应用于输电线路抢修等工作。至上世纪9 0 年代，直升飞机巡线、 检修及带电作业已经在这些国家得到广泛应用，并己成为一项成熟的技术。 上世纪8 0 年代，我国华北地区、河南省、湖北省都进行过直升飞机巡线的试 飞。应用直升飞机巡检维护输电线路被列入四川省电力公司2 0 0 1 年科研项目并组 成课题组，该课题组从2 0 0 1 年5 月底到6 月上旬两次实施了直升飞机巡检飞行试 验。 2 0 0 4 年1 2 月5 日至1 0 日，南方电网超高压公司首次采用直升机巡检5 0 0 干伏 输电线路并取得圆满成功，这标志着南方电网超高压输电公司在输电线路的运行维 护上迈出了崭新的一步。 2 0 0 5 年1 月，绍兴电力局和深圳中信海直公司进行充分准备后，首次使用直升 飞机对绍兴电网高压线路进行巡检试飞。图1 1 显示了电力线路巡检人员正在飞机 上紧张工作的情况“1 。 图1 1 丁= 作人员飞机巡榆中 华北电力大学硕十学位论文 2 0 0 5 年9 月，内蒙古电力( 集团) 公司首次采用直升机巡检2 2 0 千伏输电线路， 这标志着内蒙古电网在输电线路的运行维护上迈出了崭新的一步。至2 0 0 5 年1 1 月 底，该公司已经进行了3 次输电线路的航巡工作，顺利完成了内蒙古电网秋季安全 大巡检作业任务。 国家电力公司的“十一五”新技术推广纲要中，直升机巡线及作业技术被确定 为新技术推广应用重点工程之一。该技术已在华北电力公司应用，至2 0 0 5 年底采 用直升机航巡作业已达3 万公里左右。2 0 0 6 2 0 0 7 年，在华中、西北、黑龙江、江 苏、四川i 等公司开展输电线路直升机巡线技术示范应用。直升机作业技术成熟后， 在“十一五”后期逐步扩大应用范围。 飞机巡检记录红外图像和可见光图像，分别对应热像巡视和可见光巡视。从空 中观察具有范围大、视觉宽、效率高、不受地域影响等优势，但受当时图像处理技 术的限制，对缺陷的确认结果不太理想。如果能对相关技术进行进一步研究和实践， 使之不断发展完善，则应用直升飞机巡检线路就会发挥巨大的作用”1 。 热像巡视应安排在阴天或多云的天气条件下进行，以避免构件阳光反射的杂波 干扰和地面受热后产生的热杂波干扰。有关资料显示，在阳光较弱的天气里，温度 对红外热成像影响较小，易于发现线路过热缺陷；巡视时风速应小于5 m s ，以免因 风的冷却作用而使测温不准；巡视时飞机飞行于线路的斜上方，以便安装在直升飞 机底部的巡测系统能方便的观察线路，飞机最好在线路右侧飞行，以便飞行员随时 与线路保持视线接触。 可见光巡视宜安排在晴朗、能见度好的天气条件下飞行，风速也不宜过大。巡 视时要离线路更近一些飞行( 约小于2 0 米) ；平原飞行时观察员坐在前排左座、飞 机飞行于线路右侧；山区飞行而且下飞较多时观察员坐在右排后座、飞机飞行于线 路左侧。 由于热像巡视和可见光巡视特点不同，对天气条件和飞行的要求不同，为了达 到理想的巡检效果，北欧的经验是两种作业分别安排进行。如瑞典的线路每年安排 一次可见光巡视，每三年安排一次热像巡视。不过，由于近年来各种成像设备技术 大大提高，飞行技术和巡线技术长足进步，已经可以同时进行这两种巡线作业，效 率大为提高。 当巡线员发现故障点或需要对设备进行重点观测时，飞行应减速或悬停，悬停 时般距离目标杆塔约3 0 米。如果此时有风，尽量顶风悬停，这样直升飞机比较 稳定，更安全，也有利于成像设备的工作0 1 。 在直升飞机上进行线路检测时，摄像机与航向相对保持4 5 。夹角，瞄准前方导 华北电力大学硕j ：学位论文 线和杆塔，进行连续性摄像。摄像机应将每一基杆塔的附件作为检测目标进行跟踪 摄像，同时注意摄像效果，应在背阳光侧观察，防止阳光反射。 飞机巡检时，要有飞行参数，以2 2 0 千伏为例，飞行参数为：飞机距地面高度 约4 0 m ( 杆塔高度的1 5 2 倍) ；距线路水平距离2 5 3 0 m ；飞行巡测速度约5 0 k m h ； 返航速度约2 0 0 k r n h 川。 1 2 国内外研究现状 目前国内外对飞机巡检所获图像的处理主要是针对红外图像的处理，利用机载 的热成像巡线设备，发现线路上局部发热类型的缺陷，如导线断股、接头接触不良 等。可见光图像可以对此类发热缺陷起到辅助的定位作用。 而对于绝缘子污秽情况、绝缘子破损或裂纹等可见光缺陷，目前国内外常用的 检测方法有以下几种i l 直接观测法 用望远镜等设备在现场观察，以发现常见的表面缺陷如护套、伞裙、金具等部 位有无开裂，有无电蚀损、粉化、漏电痕迹等。直接观测法的不足之处是，若在地 面观察则不够可靠，还需登塔检测而且难以发现内绝缘故障如树枝状通道等；若在 飞机上观察，则受飞行速度等的影响，亦难以准确观察和判断。 2 紫外成像法 绝缘子表面形成碳化通道时，其使用寿命会大大降低，甚至在短期内被击穿。 利用电子紫外光学探伤仪可以带电检测复合表面由于局部放电而形成的碳化通道 和电蚀损，其原理是：局部放电过程中带电粒子复合会放出紫外线，当绝缘子表面 形成导电性碳化通道时，局部放电加剧。该方法的不足之处是要求在夜问、正温度 环境下操作；另外要求检测时正在发生局部放电，这要求检测应在高湿度甚至有降 雨的环境中进行。但检测结果容易受到观察角度的影响，检测设备也较昂贵。 3 红外成像法 广电集团佛山供电分公司对大量运行复合绝缘子进行了红外热像测温普查，结 果发现：凡有明显局部过热点的绝缘子，其过热点至绝缘子高压端硅橡胶表面均显 著发黑、粉化、变脆、憎水性基本丧失，有的有许多细小裂纹甚至出现严重破损； 发热点至高压端的一段不能承受工频耐压试验或陡波冲击试验，可知发热点为内绝 缘界面局部放电进展的位置。不足之处是仪器造价高且测量易受阳光、大风、潮气、 环境温度及一些能引起绝缘子表面温度急剧变化因素的影响。 华北电力大学硕十学位论文 4 超声波法 其原理是基于超声波在从一种介质进入另一种介质的传播过程中会在两介质 的交界面发生反射折射和模式变换的原理，超声波发生器发射始脉冲进入绝缘子介 质。当绝缘子有裂纹时，则在时间轴上出现该列文的反射波，由时间轴上缺陷波的 大小和位置即可判断绝缘子中缺陷情况“1 。这种方法操作简单、安全可靠，但因耦 合、衰减及超声换能器性能问题目前尚未在远距离遥测上有重大突破，不适合运行 现场检测，主要应用于企业生产的在线检测及实验室检定“7 1 。 5 泄漏电流测量法 泄漏电流测量法是利用泄漏电流沿面形成的原理，在绝缘子接地侧通过引流卡 或电流传感器，在线实时测量泄漏电流，利用信号处理单元计算出一段时间内泄漏 电流的各种统计值( 如峰值平均值、峰值最大值或大电流脉冲数) ，通过无线传输与 有线传输相结合，将数据传输到数据总站，运用专家知识和自学习算法对上述三种 知识进行综合分析，对绝缘子的积污状况作出评估和预测，并为实现状态检修提供 科学依据。但复合绝缘子的沿面泄漏电流与有效污秽度有关，同时与憎水性、电压 等级、绝缘子型号、绝缘子片数、环境温度、湿度等因素也有关系。因此该方法的 研究和应用目前尚存在较大的争议。 6 转轮法试验 转轮法试验是复合绝缘子的一种新的“老化方法”，已写入i e c 6 2 2 1 标准中， 2 0 0 1 年由清华大学研制出我国第一套试验装置，该方法对复合绝缘子的材料性能及 设计缺陷都有一定的筛选作用，并在一定条件下能够重现现场运行情况。原理如图 1 2 所示j 。 图1 2 转轮法试验原理 通过转轮试验，可以发现绝缘子的次品或部分缺陷，如烧灼痕迹、憎水性下降 4 华北电力人学硕十学位论文 等。本方法应用于企业生产的在线检测及实验室检定。 1 3 本文的主要工作 本文的研究内容是基于计算机视觉理论，在飞机巡检后对航拍所得的绝缘子图 像( 可见光图像) 进行状态( 包括污秽程度和裂纹) 分析，并从理论上得出对有故 障隐患的绝缘子进行定位的方法。 本文以输电线路上的重要设备绝缘子的图像为研究对象，从以下几个方面 进行研究： 1 对拍摄的可见光图像进行必要的预处理，使之噪声减少，更加清晰； 2 采集并分析绝缘子图像的像素值，针对不同类型的污秽制定不同的因素集、 评语集、单因素评判矩阵和权重； 3 应用计算机视觉原理检测绝缘子裂纹，避免了超声波探伤技术的耦合、衰减 等干扰问题： 4 提出利用g p s ( 全球定位系统) 、g i s ( 地理信息系统) 、d v ( 数码摄像机) 及其附属设备，对发生可见光缺陷的绝缘子进行定位的思想。 华北电力大学硕士学何论文 2 1 模糊数学曲1 简介 第二章模糊综合评判理论 2 1 1 模糊数学的产生及发展 现代数学是建立在集合论的基础上。集合论的重要意义就一个侧面看，在于它 把数学的抽象能力延伸到人类认识过程的深处。一组对象确定一组属性，人们可以 通过说明属性来说明概念( 内涵) ，也可以通过指明对象来说明它。符合概念的那 些对象的全体叫做这个概念的外延，外延其实就是集合。从这个意义上讲，集合可 以表现概念，而集合论中的关系和运算又可以表现判断和推理，一切现实的理论系 统都有可能纳入集合描述的数学框架。但是，数学的发展也是阶段性的。经典集合 论只能把自己的表现力限制在那些有明确外延的概念和事物上，它明确地限定：每 个集合都必须由明确的元素构成，元素对集合的隶属关系必须是明确的，决不能模 棱两可。对于那些外延不分明的概念和事物，经典集合论是暂时不去反映的，属于 待发展的范畴。 在较长时间里，精确数学及随机数学在描述自然界多种事物的运动规律中，获 得显著效果。但是，在客观世界中还普遍存在着大量的模糊现象。以前人们回避它， 但是，由于现代科技所面对的系统日益复杂，模糊性总是伴随着复杂性出现。各门 学科，尤其是人文、社会学科及其它“软科学”的数学化、定量化趋向把模糊性的 数学处理问题推向中心地位。更重要的是，随着电子计算机、控制论、系统科学的 迅速发展，要使计算机能像人脑那样对复杂事物具有识别能力，就必须研究和处理 模糊性。研究人类的行为，或者处理可与人类行为相比拟的复杂系统，如航天系统、 人脑系统等，参数和变量甚多，各种因素相互交错，系统很复杂，它的模糊性也很 明显。从认识力面说，模糊性是指概念外延的不确定性，从而造成判断的不确定性。 人与计算机相比，一般来说，人脑具有处理模糊信息的能力，善于判断和处理 模糊现象。但计算机对模糊现象识别能力较差，为了提高计算机识别模糊现象的能 力，就需要把人们常用的模糊语言设计成机器能接受的指令和程序，以便机器能像 人脑那样简洁灵活地做出相应的判断，从而提高自动识别和控制模糊现象的效率。 在对绝缘子的污秽检测中，也会遇到模糊问题。比如绝缘子表面的污秽程度， 没有分明的数量界限，因此需要用模糊数学的方法进行综合评判。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 2 模糊数学的主要研究内容 ( 1 ) 研究模糊数学的理论，以及它和精确数学、随机数学的关系。数学家察 德提出用“模糊集合”作为表现模糊事物的数学模型，并在“模糊集合”上逐步建 立运算、变换规律，开展有关的理论研究，就有可能构造出研究现实世界中的大量 模糊的数学基础，能够对看来相当复杂的模糊系统进行定量描述和处理。在模糊集 合中，给定范围内元素对它的隶属关系不一定只有“是”或“否”两种情况，而是 用介于0 和1 之间的实数来表示隶属程度。查德认为，指明各个元素的隶属集合， 就等于指定了一个集合。当隶属于0 和1 之间的值时，就是模糊集合。 ( 2 ) 研究模糊语言学和模糊逻辑。人类自然语言具有模糊性，人们经常接受 模糊语言与模糊信息，并能做出正确的识别和判断。 为了实现用自然语言跟计算机进行直接对话，就必须把人类的语言和思维过程 提炼成数学模型，才能给计算机输入指令，建立合适的模糊数学模型，这是运用数 学方法的关键。查德采用模糊集合理论来建立模糊语言的数学模型，使人类语言数 量化、形式化。 人们的思维活动常常要求概念的确定性和精确性，采用形式逻辑的排中律，即 非真即假，然后进行判断和推理，得出结论。现有的计算机都是建立在二值逻辑基 础上的，它在处理客观事物的确定性方面发挥了巨大的作用，但是却不具备处理事 物和概念的不确定性或模糊性的能力。为了使计算机能够模拟人脑高级智能的特 点，就必须把计算机转到多值逻辑基础上，研究模糊逻辑。目前，模糊逻辑还很不 成熟，尚需继续研究。 ( 3 ) 研究模糊数学的应用。模糊数学是以不确定性的事物为其研究对象的。 模糊集合的出现是数学适应描述复杂事物的需要，查德的功绩在于用模糊集合的理 论找到解决模糊性对象加以确切化，从而使研究确定性对象的数学与不确定性对象 的数学沟通起来，使过去精确数学、随机数学描述的不足之处得到弥补。在模糊数 学中，目前已有模糊拓扑学、模糊群论、模糊图论、模糊概率、模糊语言学、模糊 逻辑学等分支。 模糊数学是一门新兴学科，它已初步应用于模糊控制、模糊识别、模糊聚类分 析、模糊决策、模糊评判、系统理论、信息检索、医学、生物学等各个方面。在气 象、结构力学、控制、心理学等方面已有具体的研究成果。然而模糊数学最重要的 应用领域是计算机职能，不少人认为它与新一代计算机的研制有密切的联系。 目前，世界上发达国家工f 积极研究、试制具有智能化的模糊计算机，1 9 8 6 年闩 本山川烈博士首次试制成功模糊推理机，它的推理速度是1 0 0 0 万次秒。1 9 8 8 年， 华北电力大学硕士学位论文 我国汪培庄教授指导的几位博士也研制成功一台模糊推理机分立元件样机，它 的推理速度为1 5 0 0 万次秒，这表明我国在突破模糊信息处理难关方面迈出了重要 的一步。 2 1 3 模糊数学的主要应用 ( 1 ) 模糊数学自身的理论研究进展迅速。我国模糊数学自身的理论研究仍占 模糊数学及其应用学科的主导地位，所取得的研究成果在模糊数学、模糊系统 与数学等数十种学术期刊和全国高校学报中经常可见，模糊聚类分析理论、模糊 神经网络理论和各种新的模糊定理及算法不断取得进展。 ( 2 ) 模糊数学目前在自动控制技术领域仍然得到最广泛的应用，所涉及的技 术复杂繁多，从微观到宏观、从地下到太空无所不有，在机器人实时控制、电磁元 件自适应控制、各种物理及力学参数反馈控制、逻辑控制等高新技术中均成功地应 用了模糊数学理论。 ( 3 ) 模糊数学在计算机仿真技术、多媒体辨识等领域的应用取得突破性进展， 如图像和文字的自动辨识、自动学习机、人工智能、音频信号辨识与处理等领域均 借助了模糊数学的基本原理。 ( 4 ) 模糊聚类分析理论和模糊综合评判原理等更多地被应用于经济管理、环 境科学、安全与劳动保护等领域，如房地价格、期货交易、股市情报、资产评估、 工程质量分析、产品质量管理、可行性研究、人机工程设计、环境质量评价、资源 综合评价、各种危险性预测与评价、灾害探测等均成功地应用了模糊数学的原理。 ( 5 ) 地矿、冶金、建筑等传统行业在处理复杂不确定性问题中也成功地应用 了模糊数学的原理，从而使过去凭经验和类比法等处理工程问题的传统做法转向数 学化、科学化，如矿床预测、矿体边界确定、油水气层的识别、采矿方法设计参数 选择、冶炼工艺自动控制与优化、建筑物结构设计等都有应用模糊数学的成功实践。 ( 6 ) 我国医药、生物、农业、文化教育、体育等学科也开始进行一些应用模 糊数学的实践，并取得很好效果。 2 2 模糊综合评判理论 模糊综合评判的数学模型是由指标集r ，评判集p 和评判矩阵r 构成的。假 设已知指标集t = ( t l , t 2 ，0 ) 和评判集p = ( p l ，p 2 ，以) ，其各指标的权重为丁上的 模糊子集 q = ( 吼，q 2 ，) ( 2 - 1 ) 式中，吼为第f 个指标所对应的权重，且吼= l 。 l l r 华北电力大学硕七学位论文 设第f 个指标的评判为t 到p 上的模糊关系r ( ，2 ，) ，于是m 个指标的评 判矩阵为 r = u r = ( ，；，) = ir 1 2 b屹2 i 2 ( 2 2 ) 因此，综合评判的结果为q 与月的合成，写作 e qr ( e le 2 ，e 。) ( 2 3 ) 它是一个m 行的矩阵，是p 上的一个模糊子集。 若系统比较复杂，考虑的指标又多，且各指标之间还有层次之分时，还可以 把指标集r 按某些方式( 例如按树形数据结果方式) 分类，先对每一类作综合评判， 再对评判结果进行“类”之间的高层次的综合评判，即进行所谓的多层次的综合评 判。此时，在指标集r 中，“i | k 个子指标组成 = ， ：，t 。) t 2 由j 个子指标组成 t 2 = k ，t 2 2 ， f ：， 依此类推，可以得到 t m = 0 ；，t m ：，o ) 式中，k ，j ，等根据实际情况可取为1 ，2 ，等数。 由此，根据各指标间的关系，可以对其划分构造指标关系表，如表2 1 所示( 表 中以两个指标层为例) ，其中吼，q u 分别表示各主指标和子指标的权重。 9 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 指标关系表 这样，根据指标关系表，首先着眼于对t 中的单一子指标f j g 作单指标评判，由 各评判指标的评判结果得出其评判矩阵。 对有e = f l 根据合成运算公式，有 巨1 = q 1 。r 1 = o ( t ) o ( 9o 。1 1 即为第一级模糊评判的结果，随后再把e 1 ) 作为t l 的单指标评判向量，即可得出关于 r 的全部指标的评判矩阵 r ( 2 ) = e ( 1 ) 掣 b ( 1 ) e l l ( ”，秽，甜) 甜，e 2 ：( ”，甜) e m l ( ”，2 ( ”，( ) 进而可得到指标集r 的综合评判向量 2 = q ( 2 。r 2 = ( 吼，9 2 i i ，) 。r 2 = ( q ，e 2 ，e n ) 1 0 华北电力大学硕士学位论文 最后，对评判集p 的不同等级赋予不同值，如采用百分制、 再根据综合评判结果的p ，( f _ 1 ，2 ，z ) ，得到最终的综合评价值 】，= e o g 7 式中，e 为综合评判矩阵：g 为评语等级评分行向量的转置。 五分制或十分制， ( 2 - 4 ) 华北电力大学硕士学位论文 第三章计算机视觉及应用 3 1 计算机视觉 3 1 1 计算机视觉概述 计算机视觉“”是一门新兴的发展迅速的学科，是指用摄像机和计算机代替人眼 对目标进行识别、跟踪和测量等。对于工业应用，也常用“机器视觉”这一名词代 替“计算机视觉”。 计算机视觉系统是指用计算机来实现人的视觉功能，也就是用计算机来实现对 客观的三维世界的识别。该系统一般采用c c d 照相机摄取检测图象并转化为数字 信号，再采用先进的计算机硬件与软件技术对图象数字信号进行处理，从而得到所 需要的各种目标图象特征值，并由此实现模式识别、坐标计算、灰度分布图等多种 功能。 计算机视觉系统主要由图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示三部分组 成。图像获取设备包括光源、摄像机等：图像处理设备包括相应的软件和硬件系统； 输出设备是将相关数据传输到计算机，进行分析和控制。 8 0 年代以来，计算机视觉的研究经历了从实验室走向实际应用的发展阶段。从 简单的二值图像处理到高分辨率多灰度的图像处理，从一般的二维信息处理到三维 视觉机理以及模型和算法的研究都取得了很大的进展。而计算机工业水平的飞速提 高以及人工智能、并行处理和神经元网络等学科的发展，更促进了计算机视觉系统 的实用化和许多复杂视觉过程的研究。 3 1 2 计算机视觉的应用 在现代工业生产中，视觉检测往往是不可缺少的环节。目前，计算机视觉系统 正在广泛地应用于视觉检测、机器的视觉引导和自动化装配领域中，例如： ( 1 ) 汽车零件的外观； ( 2 ) 药品包装的正误； ( 3 ) i c 字符印刷的质量； ( 4 ) 电路板焊接的好坏； ( 5 ) 处理扫描的文本页面： ( 6 ) 理解零件场景等等。 华北电力大学硕士学位论文 这些检测工作都需要众多的检测工人，通过肉眼或结合显微镜进行观测检验，这不 仅影响工厂效率，而且带来不可靠的因素，直接影响产品质量与成本。另外，许多 检测的工序不仅仅要求外观的检测，同时需要准确获取检测数据，比如零件的宽度、 圆孔的直径和基准点的坐标等等，这很难靠人眼快速完成。而计算机视觉技术成功 地解决了这一问题，与人工视觉相比较，计算机视觉的最大优点是精确、快速、可 靠和数字化。 3 一图像处理技术 图像处理的主要功能是将获得的低质量图像( 反差小，模糊，变形等) 用计算 机处理成更适合人眼观察或仪器检测的图像。计算机视觉系统中，视觉信息的处理 技术主要依赖于图像处理方法，它包括图像增强、数据编码和传输、平滑、边缘锐 化、分割、特征抽取、图像识别与理解等内容。经过这些处理后，输出图像的质量 得到很大改善，既改善了图像的视觉效果，又便于计算机对图像进行分析、处理和 识别。 3 2 1 图像增强 图像的增强用于调整图像的对比度，突出图像中的重要细节，改善视觉质量。 通常采用灰度直方图修改技术进行图像增强。图像的狄度直方图是表示一幅图像灰 度分布情况的统计特性图表，与对比度紧密相连。 通常，在计算机中表示的一幅二维数字图像可表示为一个矩阵，其矩阵中的元 素是位于相应坐标位置的图像灰度值，是离散化的整数，一般取0 ，1 ，2 5 5 。 这主要是因为计算机中的一个字节所表示的数值范围是0 2 5 5 。另外，人眼也只能 分辨3 2 个左右的灰度级，所以，用一个字节表示灰度即可。通过灰度直方图的形 状，能判断该图像的清晰度和黑白对比度。如果获得一幅图像的直方图效果不理想， 可以通过直方图均衡化处理技术做适当修改，即把一幅已知灰度概率分布图像中的 像素灰度作某种映射变换，使它变成一幅具有均匀灰度概率分布的新图像，达到使 图像清晰的目的。 对于数字图像y ( x ，y 1 ，以，表示f 规化后的原图像灰度，以s 表示经过直方图 修正后的图像灰度，即0 ，j 1 。直方图均衡就是通过灰度函数 s = 吖r 】= f c ( m ) d 出将原图像直方图p ( ，) 改变成均匀分布的直方图只( s ) 。 在数字图像中，灰度值是离散的，离散化的直方图均衡化公式为 k 瓯= 丁m = 等 ( 3 1 ) 华北电力大学硕十学位论文 式中，k 为离散灰度级；s k 的值是与r f 丘1 最接近的那个灰度。 图3 1 给出了直方图均衡化的一个实例。图3 1 ( a ) 和图3 1 ( b ) 分别为一幅 图像的原始图和它的直方图。可见原始图较暗且动态范围较小，其直方图所占据的 灰度值范围比较窄。图3 1 ( c ) 和图3 1 ( d ) 分别为对原始图进行直方图均衡化得 到的结果及其对应的直方图，可以清楚地看到，图3 1 ( d ) 中直方图占据了整个图 像灰度值允许的范围。由于直方图均衡化增加了图像灰度动态范围，所以也增加了 图像的对比度，许多细节可以看得比较清晰了。但需要注意，直方图均衡化在增强 反差的同时也增加了图像的可视粒度。 3 2 2 图像平滑 图3 - 1 直方图均衡化实例 图像的平滑处理技术即图像的去噪声处理，主要是为了去除实际成像过程中因 成像设备和环境所造成的图像失真，提取有用信息。众所周知，实际获得的图像在 拍摄、传输、接收和处理的过程中，不可避免地存在着外部干扰和内部干扰，如光 电转换过程中敏感元件灵敏度的不均匀性、数字化过程的量化噪声、传输过程中的 误差以及人为因素等，均会使图像变质。因此，去除噪声，恢复原始图像是图像处 1 4 华北电力大学硕士学位论文 理中的一个重要内容。 本世纪5 0 年代发展起来的线性滤波器以其完善的理论基础，方便的数学处理， 易于采用f f t 和硬件实现等优点，一直在图像滤波领域占有重要地位，其中以 w i e n e r 滤波器理论和卡尔曼滤波理论为代表。但是线性滤波器存在着计算复杂度 高，不便于实时处理等缺点。虽然它对高斯噪声有良好的平滑作用，但对脉冲信号 干扰和其它形式的噪声干扰抑制效果差，信号边缘模糊。 1 9 7 1 年，著名学者t u k e y 提出非线性滤波器中值滤波器，即把局部区域 中灰度的中值作为输出灰度，并将其与统计学理论结合起来，使用迭代方法，比较 理想地将图像从噪声中提取出来，并且能保护图像的轮廓边界，不使其变模糊，具 体的步骤如下： 1 ) 将模板在图像上漫游，并将模板中心与图像中的某个像素的位置重合； 2 ) 读取模板下各对应像素的灰度值； 3 ) 将这些次度值从小到大排成一列； 4 ) 找出这些值里排在中自j 的一个； 5 ) 将这个中间值赋给对应模板中心位置的像素。 由此可见，中值滤波器的主要功能就是让与周围灰度值差比较大的像素改取与 周围像素接近的值，从而可以消除孤立的噪声点，即 g ( x ，y ) = m e d i a n ( x f ，x 2 ，矗) ( 3 - 2 ) 式中，五x 2 ，矗为点( z ，y ) 及其邻域的灰度值。 应用中值滤波时，一般先使用小尺寸窗口，如长度为3 的窗口，若无明显信号 损失，再逐渐加大窗口尺寸，直到既能较好滤除噪声，又不过分损害图像细节为止。 图3 - 2 ( a ) 和图3 2 ( b ) 是对图像进行中值滤波的一个实例。 图3 - 2 中值滤波实例 近年来，非线性滤波理论在机器视觉、医学成像、语音处理等领域有了广泛的 1 5 华北电力大学硕十学伉论文 应用，同时，也反过来促使该理论的研究向纵深方向发展。近年来，包括加权中值 滤波1 、中心加权中值滤波m 、优化加权中值滤波“”等改进方法被先后提出。另外， 将中值滤波与中，6 , n 权中值滤波相结合，又提出新的算法，即三态中值滤波“”和软 切换中值滤波“5 1 。 3 2 3 边缘锐化 图像边缘锐化处理主要是加强图像中的轮廓边缘和细节，形成完整的物体边 界，达到将物体从图像中分离出来或将表示同一物体表面的区域检测出来的目的。 它是早期视觉理论和算法中的基本问题，也是中期和后期视觉优劣的重要因素之 锐化技术可以在频域进行，主要运用高通滤波技术；也可以在空域进行，空域 锐化的基本方法是对图像进行微分处理，最常用的微分方法是利用梯度“”，1 个连 续函数s ( x ，y 1 ，其梯度是1 个矢量 可= 矧7 s ， 其模( 以2 为模，对应欧氏距离) 为 l 瓢：，i _ m 昭c 可，= ( 芸) 2 + ( 考 2 i c s - 4 ， 在使用中为了计算简便，也可利用城区距离“”( 以1 为模) ，即 i v , 1 ) | = l 副矧 s ， 或者利用棋盘距离“”( 以。o 为模) ，即 吲惜黜 一， s ， 实用的空域微分算子主要有以下几种： 1 ) 梯度算子。梯度对应一阶导数，因此梯度算子是一阶导数算子。数学表示 如式( 3 - 4 ) 所示。常用的梯度算子有：罗伯特交叉( r o b e r t sc r o s s ) 算子，蒲瑞维特 ( p r c w i t t ) 和索贝尔( s o b e l ) 算子。 2 ) 拉普拉斯算子。拉普拉斯算予是二阶导数算子，1 个连续函数厂( x ，y ) ，它在 华北电力大学硕十学何论文 拉普拉斯算子对图像中的噪声相当敏感，另外它常产生双像素的边缘，且由于不能 提供边缘方向的信息，该算子很少直接用于检测边缘，而主要用于已知边缘像素后 确定该像素是在图像的暗区或明区一边。 3 2 4 图像分割 图像分割是将图像分成若干部分，每一部分对应于某一物体表面，在进行分割 时，每一部分的灰度或纹理符合某一种均匀测度，其本质是将像素进行分类。分类 的依据是像素的灰度值、颜色、频谱特性、空间特性或纹理特性等。图像分割是图 像处理技术的基本方法之一，应用于诸如染色体分类、景物理解系统、机器视觉等 方面。 图像分割主要有两种方法：一是鉴于度量空间的灰度阂值分割法，此方法是根 据图像灰度直方图来决定图像空间域像素聚类，但只利用了图像灰度特征，并没有 利用图像中的其它有用信息，使得分割结果对噪声十分敏感；二是空间域区域增长 分割方法，该方法是对在某种意义上( 如灰度级、组织、梯度等) 具有相似性质的 像素连通集构成分割区域，有很好的分割效果，但缺点是运算复杂，处理速度慢。 其它的方法如边缘追踪法，主要着眼于保持边缘性质，跟踪边缘并形成闭合轮廓， 将目标分割出来；锥体图像数据结构法和标记松弛迭代法同样是利用像素空间分布 关系，将相邻的像素做合理的合并。基于知识的分割方法则是利用景物的先验信息 和统计特性，首先对图像进行初始分割，抽取区域特征，然后利用领域知识推导区 域的解释，最后根据解释对区域进行合并。 3 3 颜色视觉”耵 3 3 1 颜色基础 人类现在对颜色的物理本质已经非常了解。早在1 7 世纪，牛顿通过三棱镜研 究对白光的折射时就已经发现白光可被分解成一系列从紫到红的连续光谱，从而证 明了白光是由不同颜色( 而且这些颜色不能再进一步被分解) 的光线相混合而组成 的。这些不同颜色的光线实际上是不同频率的电磁波，人的脑眼将不同频率的电磁 波感知为不同的颜色。 所有颜色都可看作是红( r e d ，以下用“r ”表示) ，绿( g r e e n ，以下用“g ” 表示) 。蓝( b l u e ，以下用“曰”表示) 3 个基本颜色的不同组合。3 种基本色的波 1 7 刁 。 盟西 + 盟投 = 虾 啊 义定子算斯拉普拉 的 力 置位 华北电力大学硕七学位论文 长分别为r ：7 0 0 n m ，g ：5 4 6 1 n m ，b ：4 3 5 8 n m 。由于光源的光谱是连续渐变的， 所以并没有一种颜色可准确地叫做红、绿、蓝。因而需要注意，定义3 种基本波长 并不表明仅3 个固定的r ，g ，b 分量就可组成所有颜色。 区分颜色常用亮度、色调和饱和度。亮度与物体的反射率成正比，如果无彩色 就只有1 个维数的变化。对彩色来说，颜色中掺入白色越多就越明亮，掺入黑色越 多亮度就越小。色调与混合光谱中主要光的波长有关。饱和度与一定色调的纯度有 关，纯光谱色是完全饱和的，随着白光的加入饱和度逐渐减少。 色调和饱和度合起来称为色度。颜色可用亮度和色度共同表示，设组成某种颜 色c 所需的3 个刺激量分别用x ，y ，z 表示，而每种刺激量的比例系数为x ，y ，z ，则 c = x x + y y + z z ( 3 - 8 ) 比例系数x ，y ，z 也称为色系数 x ：兰一 ( 3 9 ) x + y + z v y ：兰一 ( 3 - 1 0 ) x + y + z v z ：! 一 ( 3 - 1 1 ) 爿+ y + z 由式( 3 1 0 ) 、( 3 - 1 1 ) 和( 3 - 1 2 ) 可以看出 x + y + z = 1 ( 3 - 1 2 ) 如某一蓝绿色可以表达为 c = o 0 6 石+ 0 3 1 y + o 6 3 z ( 3 - 1 3 ) 1 9 3 1 年c i e ( 国际照度委员会) 制定了1 个色度图( 示意图见图3 3 ，图中波 长单位是n m ) ，用组成某种颜色的三基色的比例来规定这种颜色。图中横轴对应红 色色系数，纵轴对应绿色色系数，蓝色色系数可由z = l 一 + y ) 求得。图中各点给 出光谱中各颜色的色度坐标，蓝色和紫色在图的左下部，绿色在图的左上部，红色 在图的右下部，连接4 0 0 n m 和7 0 0 n m 的直线是光谱上所没有的由紫到红的系列。 通过对该图的观察分析可知： 1 ) 在色度图中每点都对应一种可见的颜色，任何可见的颜色都在色度图中占 据特定的位置； 2 ) 某种颜色的纯度一般称为该颜色的饱和度。在色度图中边界上的点代表纯 颜色，移向中心表示混合的白光增加而纯度减少。到中心点c 处各种光谱能量相等 而显为白色，此处纯度为零。 1 8 华北电力大学硕_ = 学位论文 3 ) 在色度图中连接任意两端点的直线上的点表示将端点所代表的颜色相加可 组成的一种颜色。根据这个方法，如果要确定由3 个给定颜色所组成的颜色范围， 只需要将这3 种颜色对应的3 个点连成三角形，见图3 3 。在该三角形中的任意颜 色都可由这3 色组成，而在该三角形外的颜色则不能由这3 色组成。由于给定3 个 固定颜色而得到的三角形并不能包含色度图中所有的颜色，所以只用( 单波长) 三 基色并不能组合得到所有颜色。 i j 铷 1 5 0 0q 口 驻； j ； ”n 琵。 y 釉 广7 0 0 h m 钆l + 3 3 2 颜色模型 图3 3c i e l 9 3 l 色度图 为了正确地使用颜色，需要建立颜色模型。前面提到，1 种颜色可以用3 个基 本量来描述，所以建立颜色模型就是建立1 个3 d 坐标系统，其中每个空间点都代 表某1 种颜色。 目前常用的颜色模型可以分为两类，一类面向诸如彩色显示器之类的硬件，另 一类面向以彩色处理为目的地应用，如动画中的彩色图形。面向硬件最常用的彩色 模型是r g b 模型，而面向彩色处理的最常用模型是h s i 模型，其中日表示色调 ( h u e ) ，s 表示饱和度( s a t u r a t i o n ) ，表示密度( i n t e n s i t y ，对应成像亮度和图像 灰度) 。 r g b 模型基于笛卡尔坐标系统，3 个轴分别为r ，g ，b ，见图3 - 4 。核心部 1 9 华北电力大学硕士学位论文 分是个正方体，原点对应黑色，离远点最远的顶点对应白色。立方体内各点对应不 同的颜色，可用该点到原点的矢量表示。为方便，将立方体归一化为单位立方体， 这样所有r ，g ，b 的值都在区间 0 ，1 中。 口 ，毋 g 图3 - 4r g b 模型 根据这个模型，每幅彩色图包括3 个独立的基色平面，或者说可以分解到3 个 平面上，反过来说，如果1 幅图像可被表示为3 个平面，使用这个模型比较方便， 例如在处理多频谱的卫星遥感图像时常使用r g b 模型。 华北电力大学硕士学位论文 4 1 绝缘子污秽 4 1 1 绝缘子的污染 第四章绝缘子状态检测 绝缘子表面的积污过程具有复杂的动态特性，一般情况是一个缓慢变化的过 程，是受各种大气条件和风力、重力、静电力等多种因素影响的一个动态过程。污 秽多、大气污染严重的地区，绝缘子积污也就多。虽然大雨有自洁作用，但干旱少 雨的季节使污秽量逐年增加。绝缘子的形状也影响积污量，在同一个地区不同形状 的绝缘予积污量是不同的，形状较简单的、气体动力学特性较好的绝缘子积污量较 少。 静电力对绝缘子的积污，理论上是有影响的，带电绝缘子比不带电绝缘子积污 快，直流线路的绝缘子比交流线路得绝缘予积污快，但在风大以及急剧积污的地区， 静电力不是决定积污量的主要因素”。 4 1 2 绝缘子的污秽类型 随着城市人口的集中和工业的发展，乡镇企业和交通运输业的兴旺，以及生态 环境所产生的污染，弥漫在空气中的污染物日积月累的沉积在运行中的绝缘子表 面，形成污秽层。绝缘子的污秽物通常包含有可溶的导电物质和不可溶的吸水性物 质。前者在遭受湿润、溶解后将使绝缘子表面污层的电导急剧增加；而后者通过保 持水分起到促进污层电导增加的作用。按照污源特征可将绝缘子的污秽分为工业型 污秽和自然型污秽两大类。 ( 1 ) 工业型污秽 工业型污秽是在工业生产过程中产生的污染物质，大多数是由工厂烟囱排出的 气相、液相和固相污物。各种工业污秽不仅物理化学性质极不相同，而且成份复杂， 浓度和固体微粒的大小也不一样。工业污秽在城市和近郊以及工业集中的地区特别 严重，包括化工厂、冶炼厂以及火电厂的排烟，水泥厂、煤矿或煤厂的粉尘，循环 水冷却水塔或喷水池的水雾等。比如，上海市区的工业降尘已达每平方公里每日平 均约1 吨，在某些工厂区近旁高达3 吨，郊县的田野也达o 7 吨左右；而该地区的 2 2 0 千伏输电线路有3 0 以上的走廊穿插于烟囱林立、空气污源性质极其复杂的工 厂近旁；北京地区的平均降烟日数为1 5 0 天，是国际相对卫生标准的3 倍。经统计， 在各类工业污秽中，化工污秽的影响最严重，是由开采化工原料和制造化工产品的 工矿企业在生产过程中或由烟囱排出的废气、脏物以及化工原料粉尘沉积在绝缘子 2 1 华北电力大学硕士学位论文 表面上形成的。其次是水泥、冶金、煤烟等污秽。 ( 2 ) 自然型污秽 自然型污秽是在自然条件下产生的污秽，可分为尘土污秽、盐碱污秽、海水污 秽和鸟粪污秽。 尘土污秽主要成份是从地面扬起的尘土以及农作物施加的化肥和农药等，当刮 风或运输车辆行驶或农业耕作时，从地面扬起的尘土污秽不断沉积在绝缘子表面 上，也会引起污闪事故。 盐碱污秽主要发生在盐碱地区，由于尘埃中含有大量能溶于水而生成电解质的 微粒，而且大多数盐碱地区还存在含有可溶性矿物质的水域，因此，属于盐碱地区 的沙漠和半沙漠地带是重污秽区。 海水污秽主要发生在海洋沿岸，但顺着流入海洋的江河也可以扩散到离海岸较 远的地区。由于海浪冲击海岸和风力的作用，海边空气中含有大量的海水微粒，这 些微粒被风吹到陆地的干燥空气中，水分蒸发而形成小颗粒的盐沉积在绝缘子表 面；在紧靠海边几百米以内的绝缘子常常被海水飞沫所直接湿润：在不利的气象条 件下，海水水滴或盐粒可以构成雾的凝聚核心而形成海雾或称盐雾，使绝缘子表面 受到湿润。 在广阔的田野、森林、草原和盐碱地区，不仅是绝缘子上堆积的干鸟粪因受潮 而使其绝缘性能下降，而且机率最大的闪络原因是鸟停在杆塔的横担上排粪，粪流 污染绝缘子而沿粪流放电。在露水大的季节，鸟粪污秽对2 2 0 千伏及以下电压等级 的线路是最危险的。 实际上，运行中的绝缘子表面沉积的污秽是多种工业污秽和自然污秽的混合 物，只不过在某一个地点或地区常以一种类型的污秽占主要地位而已“”。 4 1 3 绝缘子污秽的危害 随着城乡工业发展污秽加重和环境恶化，绝缘污染情况也越来越严重，导致电 网污闪事故频发。近年来电压升高、网络扩大、交直流联网不断增多，污闪事故呈 现出涉及范围广、停电时间长的特点，严重威胁着输变电设备的安全运行，给国民 经济带来巨大的经济损失。 2 0 0 2 年2 月2 2 日凌晨，沈阳地区电网因浓雾发生大面积严重污闪，污闪造成了2 2 0 千伏供电系统崩溃啪1 。 2 0 0 4 年2 月1 9 2 0 日，华东地区出现持续大雾天气。从2 月2 0 r 凌晨到午前的约 7 小时内，华东电网长三角地区的6 条5 0 0 千伏线路发生多次污闪跳闸“。 华北电力大学硕十学位论文 2 0 0 5 年7 月2 6 日，内蒙古乌海电业局顺达2 2 0 千伏变电站支持绝缘子发生污闪跳 闸事故，对电网稳定构成极大威胁。 2 0 0 6 年2 月1 2 日夜间至1 3 日凌晨，河南中北部地区出现大雾天气，郑州、洛阳地 区可见度不足5 米。郑州、洛阳1 、新乡、焦作、济源、濮阳、三门峡等区域数条5 0 0 千 伏、2 2 0 千伏和1 1 0 千伏线路因雾闪跳闸1 5 条( 次) ，造成大面积停电。 由于污闪事故的严重危害，对污秽绝缘子进行及时检测和清扫就具有重大意义。 4 2 基于计算机视觉的绝缘子污秽检测 绝缘子的材质很多，如瓷、硅橡胶、玻璃、半导体釉等，本论文的研究以白色 瓷绝缘子和红色合成绝缘子( 即硅橡胶绝缘子) 为例。 4 2 1 整体污秽 整体污秽主要受自然环境影响，沙尘、盐碱、工业废气等都会在绝缘子表面逐 渐沉积一层污秽物。天气干燥的情况下，这些表面污秽物不会影响绝缘子的绝缘水 平。但天气潮湿时，被污染绝缘子的绝缘能力大大下降，容易引起事故。 ( 1 ) 检测原理 整体污秽的绝缘子在视觉上表现的特征是绝缘子整体变色且变色比较均匀。各 点的r 、g 、曰值差别不大，但同洁净时相比，有较大区别。 由图3 - 4 可以看出，当r = l ，g = 1 ，b = i 时，颜色视觉为白色，因此，白色瓷 绝缘子洁净时的r 、g 、占值应均接近1 。若计算出r 、g 、b 值相差较大，或者 相差不大但远小于1 ，则可判定此白色瓷绝缘子受到污染，受污染程度再根据具体 数值判定。 对于红色的合成绝缘子来说，受污染后像素颜色中的红色分量值( 即r 值) 变 化最为明显，以此为依据，就可以判断绝缘子的整体污秽程度。 ( 2 ) 算法及建模 采用模糊综合评判算法。建模过程如下： a 白色瓷绝缘子 1 ) 确定因素集 x = ( 1 r ，1 一g ，1 b 2 ) 确定评语集 y = 清洁，一级污秽，二级污秽，三级污秽 2 3 10 10 30 40 2 l d = l0 10 30 40 2 i