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高压输电线图像边缘检测方法研究

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第31卷第210期 电力 系统通信 Vol3l No.210 .36. 2010年4月l0日 Telecommunications for Electric Power System Apr.10.2OlO 高压输电线图像边缘检测方法研究 孙凤杰,楚 征,范杰清 (华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206) 摘要:边缘检测是图像边缘识别中的研究热点和难点,迄今已有许多边缘检测方法 文章研究 了2种边缘检测算子——S0bel和Canny,并对实际的高压输电线图像进行了边缘检测 选取 了2种不同天气条件下的图像进行了边缘检测,并比较分析了单一边缘检测处理的图像与经 过中值滤波后的边缘检测处理的图片,以期得出质量较好的图像。为输电线路的准确识别和监 测奠定良好的基础 关键词:边缘检测;Sobel算子;Canny算子;输电线路 中图分类号:TP751 文献标志码:B 文章编号:1005—7641(2010)04—0036—04 0 引言 像局部特征的不连续性,即图像中灰度变化比较 剧烈的地方。这种不连续性通常可以利用微积分 远程数字视频监控与图像识别系统是指能远 中求导数的方法方便地检测到,一般常用一阶导 程接收在现场采集到的数字视频信号,并实时传 数和二阶导数来检测图像的边缘。其基本思想是 送到监控中心,实现监控中心对现场远程监视,并 利用边缘增强算子,突 罔像巾的局部边缘.然后 能根据需要对采集到的数字视频图像进行分析、 定义像素的边缘强度,通过设定阈值的方法提取 处理和识别的系统。该系统主要由远程数字视频 边缘点集。然而,实际采集到输电线路的图片由于 监控和数字图像识别两部分组成lll。将此系统运用 外界噪声和天气条件的影响使图像质量下降,检 于输电线在线监测的第一步是图像分割,图像分 测到的边界会有间断情况发生l 3 l割的好坏直接关系到图像识别的准确性和监测的 1_2边缘检测的分类 有效性。图像的边缘是指图像局部区域亮度变化 根据灰度变化的剧烈程度,通常将边缘划分 显著的部分,该区域的灰度剖面一般可以看作是 为阶跃状和屋顶状2种类型 J。阶跃边缘两边的灰 一个阶跃,即从一个灰度值很小的缓冲区域急剧 度值变化明显,而屋顶边缘位于灰度值增加与减 变化剑另一个灰度值相差较大的区域。图像的边 少的交界处 缘部分集中了图像的大:部分信息,图像边缘的确 对阶跃边缘和屋顶边缘分别求取一阶、二阶 定与提取对于整个图像场景的识别与理解是非 导数就可以表示边缘点的变化。因此,对于一个阶 常重要的,同时也是图像分割所依赖的重要特征, 跃边缘点.其灰度变化曲线的一阶导数在该点达 边缘检测主要是对图像灰度变化的度量、检测和定 到极大值.二阶导数在该点与0交叉:对于一个屋 位 I。本文讨论了Sobel和Canny边缘检测箅子原 顶边缘点,其灰度变化曲线的一阶导数在该点与 理,并将其应用在输电线图像的边缘检测中。 0交叉,二阶导数在该点达到极大值。边缘检测的 1 边缘检测基本原理 难点在于物体之间相接触、互遮挡或者由于噪声 等原因引起的边缘问断l 4_。 1.1 基本原理 2个灰度值不同的区域之间的界限即为边 2边缘检测步骤 缘,即边缘为冈像灰度值不连续的结果。图像的大 边缘检测主要包括以下4个步骤_5j。 部分信息都存在于图像的边缘中,主要表现为图 1)图像滤波。边缘检测算法主要是基于图像 ・技术研究・ 孙凤杰等 高压输电线图像边缘检测方法研究 .37. 亮度的一阶和二阶导数.但是导数的计算对噪声 很敏感,因此必须在边缘检测之前进行图像的滤 波。 2)图形增强。增强边缘的基础是确定图像各 点邻域强度的变化值。增强算法可以将邻域强度 值有显著变化的点突出显示 3)图像检测。在图像中有许多点的梯度幅值 比较大,而这些点在特定的应用领域中并不都是 边缘,应该用某些方法来确定边缘点.而最简单的 边缘检测判据是梯度幅值阈值判据。 4)图像定位。如果某一应用场合要求确定边 缘位置,则边缘的位置可以在子像素分辨率上来 估计,边缘的方位也可以被估计出来。 3常用的边缘检测算子 边缘检测实际上就是研究更好的边缘检测方 法和检测算子。边缘的锐利程度由图像灰度的梯 度决定。常用的边缘检测算子有:Sobel算子、 Prewitt算子、Roberts算子、Canny算子和LOG算 子等。 LOG算法中的高斯平滑运算会导致图像中 边缘和其他尖锐不连续部分的模糊。其算法的标 准方差叮值越大,噪声滤波效果越好,但同时会 丢失一些重要的边缘信息:(『值小时又会平滑不 完全而留有太多噪声。同时,LOG算子由于经常 出现双像素边界,噪声对LOG算法提取图像边缘 的影响也比较大,因此.人们很少用LOG算子检 测边缘_5l, Roberts边缘检测算子采用对角线方向相邻 像素之差近似检测边缘,虽然定位精度高,但对噪 声敏感嘲。而Prewitt算子和Sobel算子基本类似。 因此,在这里只讨论采用Sobel算子和Canny 算子来进行边缘检测。 3.1 Sobel算子 Sobel算子是边缘检测中最常用的算子之一。 —1 —2—1 Sobel算子有2个:检测水平边沿的 0 0 0 l 2 1 一1 0 l 和检测垂直边缘的 一2 0 2 。与其他梯度算子 —1 0 1 相比.Sobel算子对于像素位置的影响做了加权, 因此效果更好嘲。 Sobel算子利用像素点上下、左右邻点的灰度 加权算法,根据在边缘点处达到极值这一现象进 行边缘的检测。这种方法不仅能产生较好的边缘 检测效果。而且对噪声具有平滑作用.所以可以提 供较为精确的边缘方向信息。当使用大的领域时, 抗噪声特性更好,但计算量也会随之增大,容易检 测出伪边缘,定位精度也不高 。 3.2 Canny算子 Canny边缘检测算子是John.F.Canny于1986 年开发出来的一个多级边缘检测算法,Canny算 子具有很好的边缘检测性。定义为:对图像f(x,Y) 的高斯函数Gauss进行平滑,然后得到嘲 f(x,Y)×G (X,Y) (1) 式中 为相应的尺度因子。 计算梯度矢量的模 和方向A 为 =l1 x,y)×V G (X,Y)l l(2) 4一 兰: 兰: ! } J,y)×V Ga( ,J,)}l 、 式中 V为梯度向量的模。图像边缘点即在A 方 向上使 取得局部极大值的点。 Canny算子应满足以下准则 : 1)信噪比准则,即不漏检真实边缘,也不把非 边缘点作为边缘点检出,使输出的信噪比最大; 2)定位精度准则,即检测出的边缘点尽可能 在实际边缘的中心; 3)单边缘响应准则,即单个边缘产生的多个 响应的概率要低,虚假边缘响应应得到最大抑制。 将Canny 3个准则结合起来可以获得最优的 检测算子。因此Canny算子具有很好的边缘检测 性能。其算法是通过寻找图像梯度的局部极大值, 用高斯函数的一阶微分来计算梯度。算法中具体 通过2个阈值来分别检测强边缘和弱边缘,当且 仅当弱边缘与强边缘连接时,弱边缘才被输出。所 以.Canny算法不容易受噪声的干扰,能够在噪声 和边缘检测间取得较好的平衡,从而检测出真正 的弱边缘。 Canny边缘检测的算法步骤为I81:④用高斯滤 波器平滑图像;②用一阶偏导的有限差分来计算 梯度的幅值和方向;③对梯度幅值进行非极大值 ・38・ 电 力 系 锯 c亟 僧 抑制;④用双阈值算法检测和连接边缘。 5实验结果分析 通过对上述2种边缘检测算子处理的结果进 行对比,可以得出以下结论。 4输电线路图像的处理及效果图 在利用Sobel和Cannv边缘算子对高压输电 线路图像进行处理时需要考虑2种状况:一种是 在天气条件较好的状况下输电线路的图像:另外 一1)采用Sobel算子,计算简单,速度快,能较 好提供边缘图像。 种是覆冰条件下输电线路的图像。 在进行边缘检测之前,采集到图像会有噪声. 2)采用Canny边缘检测算子.不易受噪声干 扰,能检测到真正的弱边缘,提高了检测的效率。 因此,首先应该进行滤波和除噪,这里选取中值滤 波来除噪。文献[7】中将中值滤波和Sobel算子、 Canny算子相结合进行图像边缘检测.针对出现的 边缘点误判、弱边缘输出效果差、提取轮廓不清晰 等问题做了一些改进,收到了很好的效果。本文将 这种方法应用在对输电线路的图片处理上。在边缘 提取前进行的中值滤波的模板均为5x5的模板。 所有图像处理程序均采用VC 6.0进行编写, 经过调试.得到普通天气条件的边缘检测结果(如 图1所示)和覆冰条件下的边缘检测效果(如图2 所示) ■l_ (a)原图 (b)未经过中值滤波 (c)经过中值滤波 的Sobel算子 的Sobel算子 _ ■ (d)未经过中值滤波的Canny算子 (e)经过中值滤波的Canny算子 图1普通天气条件的边缘检测结果 Fig.1 Edge detection result under general weather condition 蕊__ (a)覆冰原图 (b)未经过中值滤波 (c)经过中值滤波 的Sobe1算子 的Sobe1算子 (d)未经过中值滤波的Canny算子 _ ■ (e)经过中值滤波的Canny算子 图2覆冰条件下的边缘检测效果图 Fig.2 Edge detection result under icing condition 对于普通条件的输电线图像来说:①通过对 图1(b)和(12)的比较发现,使用中值滤波后的 Sobel图像边缘检测,其检测效果明显优于单一使 用Sobel边缘检测算子的效果.经过中值滤波后 不仅减少了图像边缘点误判,而且对噪声的抑制 也有较好的改善;②通过对图1(d)和(e)的比较 发现.中值滤波后的Canny图像边缘检测效果并 不明显优于单一使用Canny边缘检测算子的效 果,前者所包含的边缘信息比后者稍微清晰点。但 后者边缘检测对噪声抑制效果更好。 对于覆冰的输电线图像来说:①通过对图 2(b)和(12)的比较发现,使用中值滤波后的Sobel 算子处理效果其覆冰的边缘显得较为尖锐,而单 一Sobel算子其覆冰的边缘显得较为平滑.这2 种处理方法得到的边缘都比较清晰,边缘轮廓相 对完整,并不能直接看出哪一幅图片更优;②通过 对图2(d)和(e)的比较发现,使用中值滤波后的 Canny图像边缘检测和单一使用Canny边缘检测 算子的效果相当,覆冰的边界所包含的信息比较 模糊,图像背景和物体没有完全分开,检测效果并 不理想 6 结束语 运用边缘算子对输电线路的图像进行边缘检 测,使输电线图像的边缘能够得到很好的处理.为 以后对输电线覆冰、弧垂、舞动、污垢等的特征描 述及图像识别打下了良好的基础,同时也拓展了 图形图像技术的应用领域。但对于背景较为复杂 的图像运用边缘算子仍显得不足,算法还应得到 进一步的改进和优化。 参考文献 [1]孙凤杰,崔维新,张晋保.远程数字视频监控与图像识 别技术在电力系统中的应用『J].电网技术,2005,29(5): 81-84 ・技术研究・ 孙凤杰等 高压输电线图像边缘检测方法研究 ・39・ [21游素亚,杨静.罔像边缘检测技术的发展与现状lJ1.电 f11:101-103. 子科技导报,1995(8):25—28. [31叶俊.基于Canny算子的图像边缘检测与提取的算 [8】胡小锋,赵辉.Viasual C++/Matlab图像处理与识别实 用案例精选(M】.北京:人民邮电 版社,2004. (w) 法….科技资讯,2007(34):69—70. 【41徐建华.图像处理与分析[MI.北京:科学出版社,1992. 【5】曾欢,王浩.图像边缘检测算法的性能比较与分析『J]. 2006(14):53-58. [6】段瑞玲,李庆祥,李玉和.图像边缘检测方法研究综述lJ】. 光学技术,2005.31f31:415-419. 孙凤杰(1961一),男,北京人,教授,从事通信与信息 系统领域的教学和科研工作 楚 征(1986一),男,河南平顶山人.硕士研究生.从 事通信与信息系统方面的研究 范杰清(1979一),男,河北石家庄人,讲师,从事图像 处理和电子技术方面的研究 (收稿日期:2009-1I一09;修回日期:2009—11-23) 171冯新宁,方伟林,杨栋.基于中值滤波Sobel,Canny算 子的同像边缘检测研究『J】.黑龙江水专学报,2009,36 Study on image edge detection method for high votage transmission line SUN Fengqie,CHU Zheng,FAN Jie—qing (Department of Electrical and Electronics Engineering,Noah China Electric Power University,Beijing 1 02206,China) Abstract:Although there are many edge detection methods,the edge detection has always been a research focUS in practical application. By studing on two edge detection operators,Sobel and Canny,this paper discusses the edge detection on high voltage transmission line by choosing two images of different weather conditionsIt compares the image .processed only by edge detection with the one processed with median filter to get the better quality of imageThe study .lays a foundation for more accurate recognition and monitoring on transmission lines. Key words:edge detection;Sobel operator;Canny operator;transmission line 、 V、 、 (上接第35页J 参考文献 [11施婕,艾芊.智能电网实现的若干关键技术问题研究 管理系统[J].电力系统通信,2010,31(1):43—46. [5]缪巍巍,郭波.江苏电力通信资源管理及综合监测集 成系统建设【J】.电力系统通信,2009,3O(3):41—44. (ZH) [JI.电力系统保护与控制,2009,37(19):2-4. 【2】丛伟,潘贞存,丁磊,等.满足“三道防线”要求的广域 保护控制系统及其在电力系统中的应用[J】.电网技术, 2004.28(181:31—33. 【31傅健平,张培林,焦文生.基于故障树与专家系统的自 唐云善(1974一),男,湖北恩施人,工程师,从事电力 通信综合网管、通信资源管理、综合监视、通信信息管理系 统的研究和开发工作 行火炮火控系统故障诊断『JI.四川兵工学报,2009(9): 33—34. 张 刚(1966一),男,安徽淮北人,高级工程师,从事 光缆监测系统的技术研究工作、 【4】唐云善,王萍,张辉勇,等.新一代电力通信集中监控 (收稿日期:2010-02-01) Study and application of fault defence software for power communication TANG Yun—shah,ZHANG Gang (State Grid Electric Power Research Institute,Nanjing 210003,China) Abstract:Being one of the technical suppo ̄system,power communication network provides safe,stable and reliable transmission channels for power d services.So the daily operation and maintenance of the power communication network is very important.This paper introduces the three—layer architecture of the power conmmnication fault defenee system,defines the operation state of power communication network into safe state.pre—alarm state and fauIt state.and discusses the conditions of state transition and corresponding technical methods to deal with the fauhs. Key words:power communication;performance;pre・-Mann;fault;three--layer defenee 

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