冰雪电线检测研究

 

        冰雪电线的检测意义在于，检测出电线的带冰宽度，并更具几何知识计算出冰块体积，最终计算出冰块重量，用以判断此冰块厚度是否超过警戒值。由于研究中以图像为研究对象，对设备要求不要（不像其他检测设备复杂，只需摄像头拍摄图像即可），并且设备受环境因素影响较小，所以其应用前景非常广泛。本文针对如何实现对冰雪电线的分割为重点，以实验的方式完成了复杂背景条件下的冰雪电线分割。

        原图如下：

图像中除了四条电线之外，还包括以树和天空为背景的环境，并且单从灰度上是无法将此三者实现分离的。由于无论是结冰的电线还是没有结冰的电线，边缘基本都呈现直线形状，但是又不完全是一条直线。本文采用以下步骤实现了对此四条电线的分离。

1、直方图均衡化

        直方图均衡化的目的是让背景和目标的灰度差增大，能够进一步突出目标，进而方便后续的处理。实验证明，这一步并不是必须的，对于某些目标和背景灰度相差不大的图像而言，这种处理往往适得其反。

2、图像边缘化

        图像边缘化的目的显而易见，即将原图转换成边缘图，以边缘图代替原图作为研究对象，能够大大减少计算量。边缘化之后的图像如下所示：

3、边缘滤波

        从上面的图中可以看出，虽然图像转换成了二值图像，并且像素个数减少，但是要实现将冰雪电线检测出来还是存在很大的困难，原因是以树为背景的区域，边缘图像噪声严重，目标区域和背景区域交叠在一起。为了进一步减少噪声，采用了将上面图像边缘滤波的方法。即采取特定措施，去掉大部分背景噪声。具体步骤如下：

        1）、从图像的左上角开始，从左至右，从上至下遍历每一个像素，如果像素为1则记录此首像素的位置，并按照以下方向寻找下一个为1的像素，方向依次为此像素的上右----右边----下右边。如果某个方向的像素为1，则将此像素加入一个像素链，并记录该像素的相对方向（即相对于上一个像素的方向）。针对具体图像中电线与水平的方向不一样，需要判别不同的方向上的像素，在此不多举例子。最后如果上面方向上的像素都不为1，则终止搜索，并统计该链的长度，与一阈值相比较，如果超过此阈值就保留此链上面的所有像素，否则就不保留该链的所有像素。保留的方法一般通过复制图像的方式完成，具体的方法可自行设计，本研究是采用像素的相对方向实现的。

        2）、将像素指针指回步骤一中首像素位置的下一个位置，继续步骤一的操作。

        3）、统计上面保留像素的方向，可以生成方向直方图的形式得出，原理是大多数像素的方向必定是冰雪电线的方向。

        4）、再再此方向上滤波，消除多余的噪声。

下面为上面四个步骤操作之后的图像效果。可以看出，所有像素基本在同一方向，不同方向上的噪声都背滤除掉了。

4、hough变换，寻找冰雪电线参数

          hough变换是将直线转换到参数空间计算，得出直线的直线方程中的参数。具体原理读者可以自行研究，这里不详细解释。由于上面的步骤已经滤掉了大多数噪声像素，这里的hough变换矩阵中就可以出现于直线条数相同的极大值（注意，不是最大值，最大值始终只有一个），下面的任务就是将这些极大值采用聚类算法，聚合成与直线同样条数的类，聚类算法众多，具体研究中可做实验区分每种算法的优劣。聚类之后的每个类的中心坐标（在hough矩阵中的坐标）就是与此直线对应的参数。hough矩阵坐标以图像的方式显示如下，可以明显看出矩阵中有几个孤立的交点，而每一个交点又不止一个点，所以需要聚类。

5、直线拟合

        寻找到上面聚类的参数之后，就可以直接拟合直线了，本实验效果图。

6、冰块重量计算

        冰块重量的计算是根据上面电线的宽度得出的，电线在没有结冰的条件下有固定的宽度，结冰之后的宽度减去为结冰的宽度，即位冰块的宽度，根据具体拍照设备距离电线的远近，可以按比例将冰块的宽度放大并计算出体积，最终计算出重量。

 

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