CN111862074A - 一种电缆阻水缓冲层缺陷识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电缆阻水缓冲层缺陷识别方法及装置，其中方法包括：获取电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像并依次进行降噪处理、窗宽窗位调节、整体对比度增强、局部对比度增强；灰度及形态对比：通过对比局部对比度增强后的数字灰度图像中疑似缺陷点处与横向同位置处的灰度及形态，初步判定出缺陷点；缺陷对比：将初步判定出的缺陷点与电缆阻水缓冲层缺陷库中的灰度图像进行比对，当从电缆阻水缓冲层缺陷库中找到相匹配的灰度图像时，该灰度图像对应的缺陷类型即为该缺陷点的最终缺陷类型。该方案能实现对电缆阻水缓冲层X射线数字灰度图像中阻水缓冲层缺陷的精准识别，为电缆灰度图像缺陷检测和定位提供技术支撑，极大提升电缆安全运维水平。

Description

一种电缆阻水缓冲层缺陷识别方法及装置

技术领域

本发明涉及电力传输技术的电缆缺陷检测技术领域，尤其涉及一种电缆阻水缓冲层缺陷识别方法及装置。

背景技术

国家电网公司和南方电网公司发生多起因电缆缓冲层缺陷导致主绝缘击穿的运行事故，针对电缆阻水缓冲层缺陷的问题越来越受到电网运维单位的重视。

实践证明，采用数字X射线成像方法对设备的缺陷进行检测和定位是一种有效、便捷的方法。由于电缆缓冲层缺陷的特殊性质，采用数字X射线对电缆进行成像后，由于电缆结构本身复杂性及成像条件的限制，导致电缆结构的对比度很低，目前对于电缆缓冲层缺陷的X射线数字影像特征尚无有效的识别方法，因此，如何实现对电缆阻水缓冲层缺陷的准确识别，仍然是一项亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供了一种电缆阻水缓冲层缺陷识别方法及装置，以解决现有技术中难以对电缆阻水缓冲层缺陷进行准确识别的问题。

第一方面，提供了一种电缆阻水缓冲层缺陷识别方法，包括：

获取图像：获取电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像并进行降噪处理；

窗宽窗位调节：调整窗宽窗位以从降噪处理后得到的数字灰度图像中选取待观察区域；

整体对比度增强：加强降噪处理后得到的数字灰度图像整体亮度及边缘对比度；

局部对比度增强：加强整体对比度增强后的数字灰度图像的局部亮度及边缘对比度；

灰度及形态对比：采用横向对比方式，通过对比局部对比度增强后的数字灰度图像中疑似缺陷点处的灰度及形态与横向同位置处的灰度及形态，进而初步判定出缺陷点；

缺陷对比：将初步判定出的缺陷点与预设的电缆阻水缓冲层缺陷库中的灰度图像进行比对，当从电缆阻水缓冲层缺陷库中找到相匹配的灰度图像时，该灰度图像对应的缺陷类型即为该缺陷点的最终缺陷类型。

上述方案中，首先获取电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像，并依此进行降噪、窗宽窗位调节、整体对比度增强、局部对比度增强、灰度及形态对比，初步判定出缺陷点，然后将初步判定出的缺陷点与预设的电缆阻水缓冲层缺陷库中的灰度图像进行比对，进而确定该缺陷点对应的缺陷类型，最终实现电缆阻水缓冲层缺陷的识别。该方案能够实现对电缆阻水缓冲层X射线数字灰度图像中阻水缓冲层缺陷的精准识别，为电缆灰度图像缺陷的检测和定位提供技术支撑，极大提升电缆的安全运维水平。

进一步地，所述电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像通过CCD或者平板探测器获得。

进一步地，所述降噪处理为多图平均法降噪，具体包括：

电缆阻水缓冲层额X射线数字灰度图像表示为：

g(x,y)＝f(x,y)+δ(x,y)

其中，g(x,y)为电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像，f(x,y)为无噪声图像，δ(x,y)为噪声；

针对同一场景拍摄m张电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像，并进行均值处理，得到降噪处理后的数字灰度图像g′(x,y)：

对于同一场景拍摄的m张电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像来说，可认为无噪声图像f_i(x,y)是相同的，而噪声δ_i(x,y)则是随机且互不相关的。由于噪声随机且互不相关，可得其平均图像的期望：

E{g′(x，y)}＝f(x，y)

平均图像的方差：

由上述两式可知，m张电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像的均值的期望是无噪声图像；通过增加平均图像的数量m，即可减少方差(或噪声)。

进一步地，所述窗宽窗位调节是由于电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像中不同区域具有不同的像素值，因此在显示电缆阻水缓冲层时，调整窗宽窗位以选择适合观察缓冲层结构的窗宽窗位，调整过程中将大于窗口的最大值设置为灰度最大值，将小于窗口的最小值设置为灰度最小值，即为0，便于获得显示最佳效果。

进一步地，所述整体对比度增强采用巴特沃斯(Butterworth)高通滤波器及伽马变换。通过整体对比度增强，增大主绝缘、铝护套、缓冲层和缺陷之间的灰度差异，使图像在视觉上，灰度影像及其边界更加清晰，便于更好地识别。

进一步地，所述局部对比度增强采用限制对比度自适应直方图均衡算法(CLAHE)，具体包括：

将整体对比度增强处理后的数字灰度图像分成若干子块，对若干子块进行直方图均衡化(HE)处理，即AHE(自适应直方图均衡化)；同时为了防止局部对比度提高过大，导致图像失真，通过限制累计分布直方图(CDF)的斜率即直方图的幅值，具体为预设直方图的幅值上限，对每个子块中统计得到的直方图进行裁剪，使其幅值低于预设的幅值上限，再将这部分裁剪值形成的面积均匀地分配到整个灰度区间上，以保证直方图总面积不变；若分配后的直方图局部幅值再次超过预设的幅值上限，则重复上述裁剪过程，直到满足要求为止，得到局部对比度增强的数字灰度图像。另外，为了防止图像进行分块处理导致的块状效应，每个像素点的值由它周围子块的累计分布直方图映射函数值进行双线性插值得到。

通过局部对比度增强，使电缆阻水缓冲层图像在视觉上，缺陷及其边界更加清晰。

进一步地，所述缺陷对比之后还包括：

将该缺陷点的数字灰度图像及对应的缺陷类型添加至电缆阻水缓冲层缺陷库中，对电缆阻水缓冲层缺陷库进行扩充。

进一步地，所述缺陷对比之后还包括：

若从电缆阻水缓冲层缺陷库中未找到与初步判定出的缺陷点相匹配的灰度图像，则对对应的真实电缆位置进行现场对比，当确定为缺陷点并判断出其缺陷类型后，将该缺陷点的数字灰度图像及对应的缺陷类型添加至电缆阻水缓冲层缺陷库中，对电缆阻水缓冲层缺陷库进行扩充。

通过不断扩充电缆阻水缓冲层缺陷库，可提高缺陷判定的准确性。

进一步地，所述缺陷类型包括气孔、裂纹、白色粉末、高密度夹渣。

第二方面，提供了一种电缆阻水缓冲层缺陷识别装置，包括：

图像获取模块，用于获取电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像并进行降噪处理；

窗宽窗位调节模块：用于调整窗宽窗位以从降噪处理后得到的数字灰度图像中选取待观察区域；

整体对比度增强模块，用于加强降噪处理后得到的数字灰度图像整体亮度及边缘对比度；

局部对比度增强模块，用于加强整体对比度增强后的数字灰度图像的局部亮度及边缘对比度；

灰度及形态对比模块，用于采用横向对比方式，通过对比局部对比度增强后的数字灰度图像中疑似缺陷点处的灰度及形态与横向同位置处的灰度及形态，进而初步判定出缺陷点；

缺陷对比模块，用于将初步判定出的缺陷点与预设的电缆阻水缓冲层缺陷库中的灰度图像进行比对，当从电缆阻水缓冲层缺陷库中找到相匹配的灰度图像时，该灰度图像对应的缺陷类型即为该缺陷点的最终缺陷类型。

有益效果

本发明提出了一种电缆阻水缓冲层缺陷识别方法及装置，首先获取电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像，并依此进行降噪、窗宽窗位调节、整体对比度增强、局部对比度增强、灰度及形态对比，初步判定出缺陷点，然后将初步判定出的缺陷点与预设的电缆阻水缓冲层缺陷库中的灰度图像进行比对，进而确定该缺陷点对应的缺陷类型，最终实现电缆阻水缓冲层缺陷的识别。该方案能够实现对电缆阻水缓冲层X射线数字灰度图像中阻水缓冲层缺陷的精准识别，为电缆灰度图像缺陷的检测和定位提供技术支撑，极大提升电缆的安全运维水平。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电缆阻水缓冲层缺陷识别方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一实例中电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像各处理阶段示意图，其中：

图2(a)为降噪处理后的数字灰度图像；

图2(b)为窗宽窗位调节后的数字灰度图像；

图2(c)为整体对比度增强后的数字灰度图像；

图2(d)为局部对比度增强后的数字灰度图像；

图2(e)为数字灰度图像中疑似缺陷点处的灰度及形态与横向同位置处的灰度及形态对比结果图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明所述的电缆阻水缓冲层缺陷为与缓冲层密度差大于1.5％的缺陷，主要包括气孔、裂纹、白色粉末、高密度夹渣。其中白色粉末解释：大量的缓冲层缺陷解体试验表明，在具有阻水结构的电缆缓冲层、铝护套和绝缘屏蔽层中，产生了白色粉末状物质。经分析，白色粉末的主要成分是碳酸钠(Na₂CO₃)、碳酸氢钠(NaHCO₃)和氧化铝Al₂O₃晶体。为了识别上述电缆阻水缓冲层缺陷，提供了如下实施例对本发明方案进行说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种电缆阻水缓冲层缺陷识别方法，包括：

S01、获取图像：获取电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像并进行降噪处理。

实施时，所述电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像通过CCD或者平板探测器获得。所述降噪处理为多图平均法降噪，具体包括：

假定噪声为加性噪声，则电缆阻水缓冲层额X射线数字灰度图像可表示为：

g(x,y)＝f(x,y)+δ(x,y) (1)

其中，g(x,y)为电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像，f(x,y)为无噪声图像，δ(x,y)为噪声；

对于同一场景拍摄的多张电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像来说，可认为无噪声图像f_i(x,y)是相同的，而噪声δ_i(x,y)则是随机且互不相关的。故针对同一场景拍摄m张电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像，并进行均值处理，得到降噪处理后的数字灰度图像g′(x,y)：

其中，f_i(x,y)为第i张电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像的无噪声图像，δ_i(x,y)为第i张电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像的噪声。

由于噪声随机且互不相关，可得其平均图像的期望：

E{g′(x，y)}＝f(x，y) (3)

平均图像的方差：

由式(3)可知，m张电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像的均值的期望是无噪声图像；由式(4)可知，通过增加平均图像的数量m，即可减少方差(或噪声)。图2(a)所示为本实施例提供的一进行了降噪处理后得到的数字灰度图像。

S02、窗宽窗位调节：调整窗宽窗位以从降噪处理后得到的数字灰度图像中选取待观察区域。由于电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像中不同区域具有不同的像素值，因此在显示电缆阻水缓冲层时，调整窗宽窗位以选择适合观察缓冲层结构的窗宽窗位，调整过程中将大于窗口的最大值设置为灰度最大值，将小于窗口的最小值设置为灰度最小值，即为0，便于获得显示最佳效果。如本实施例中，数字灰度图像灰阶65536，灰度值位于0～65535之间，将窗宽窗位分别调至4000和62535，即可得到图2(b)。

S03、整体对比度增强：加强降噪处理后得到的数字灰度图像整体亮度及边缘对比度。通过整体对比度增强，增大主绝缘、铝护套、缓冲层和缺陷之间的灰度差异，使图像在视觉上，灰度影像及其边界更加清晰，便于更好地识别。本实施例中所述整体对比度增强采用巴特沃斯(Butterworth)高通滤波器及伽马变换，其中，巴特沃斯(Butterworth)高通滤波器的截止频率为0.5，阶数为0.6，伽马值为1.5。图2(c)所示为本实施例提供的一进行了整体对比度增强处理后得到的数字灰度图像。

S04、局部对比度增强：加强整体对比度增强后的数字灰度图像的局部亮度及边缘对比度。通过局部对比度增强，使电缆阻水缓冲层图像在视觉上，缺陷及其边界更加清晰。本实施例中，所述局部对比度增强采用限制对比度自适应直方图均衡算法(CLAHE)，具体包括：

将整体对比度增强处理后的数字灰度图像分成若干子块，对若干子块进行直方图均衡化(HE)处理，即AHE(自适应直方图均衡化)；同时为了防止局部对比度提高过大，导致图像失真，通过限制累计分布直方图(CDF)的斜率即直方图的幅值，具体为预设直方图的幅值上限，对每个子块中统计得到的直方图进行裁剪，使其幅值低于预设的幅值上限，再将这部分裁剪值形成的面积均匀地分配到整个灰度区间上，以保证直方图总面积不变；若分配后的直方图局部幅值再次超过预设的幅值上限，则重复上述裁剪过程，直到满足要求为止，得到局部对比度增强的数字灰度图像。另外，为了防止图像进行分块处理导致的块状效应，每个像素点的值由它周围子块的累计分布直方图映射函数值进行双线性插值得到。图2(d)所示为本实施例提供的一进行了局部对比度增强处理后得到的数字灰度图像，设置上限值为4，网格块状为200×200。

S05、灰度及形态对比：采用横向对比方式，通过对比局部对比度增强后的数字灰度图像中疑似缺陷点处的灰度及形态与横向同位置处的灰度及形态，进而初步判定出缺陷点。电缆在结构上具有均匀分布的性质，横向同位置分布的区域在灰度或形态上差异较小；一旦出现缺陷，缺陷区域与横向同位置及附近区域呈现出较大的灰度或形态差异，如图2(e)所示数字灰度图中块状区域与横向同位置区域在视觉上存在明显差异。在具体实施时，可依据历史经验利用人工进行横向对比，进而初步判定出缺陷点。

S06、缺陷对比：将初步判定出的缺陷点与预设的电缆阻水缓冲层缺陷库中的灰度图像进行比对，当从电缆阻水缓冲层缺陷库中找到相匹配的灰度图像时，该灰度图像对应的缺陷类型即为该缺陷点的最终缺陷类型，并将该缺陷点的数字灰度图像及对应的缺陷类型添加至电缆阻水缓冲层缺陷库中。若从电缆阻水缓冲层缺陷库中未找到与初步判定出的缺陷点相匹配的灰度图像，则对对应的真实电缆位置进行现场对比，当确定为缺陷点并判断出其缺陷类型后，将该缺陷点的数字灰度图像及对应的缺陷类型添加至电缆阻水缓冲层缺陷库中。通过不断扩充电缆阻水缓冲层缺陷库，可提高缺陷判定的准确性。

本实施例中，所述缺陷类型包括气孔、裂纹、白色粉末、高密度夹渣。电缆阻水缓冲层缺陷库为通过汇集大量经过实际验证的电缆阻水缓冲层缺陷点的灰度及形态特征图谱建立而成。在将初步判定出的缺陷点与预设的电缆阻水缓冲层缺陷库中的灰度图像进行比对时，可通过人工肉眼进行比对。当然，在其他实施例中，也可选择基于哈希的图像检索技术进行对比。

上述方案中，首先获取电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像，并依此进行降噪、窗宽窗位调节、整体对比度增强、局部对比度增强、灰度及形态对比，初步判定出缺陷点，然后将初步判定出的缺陷点与预设的电缆阻水缓冲层缺陷库中的灰度图像进行比对，进而确定该缺陷点对应的缺陷类型，最终实现电缆阻水缓冲层缺陷的识别。该方案能够实现对电缆阻水缓冲层X射线数字灰度图像中阻水缓冲层缺陷的精准识别，为电缆灰度图像缺陷的检测和定位提供技术支撑，极大提升电缆的安全运维水平。

实施例2

本实施例提供了一种电缆阻水缓冲层缺陷识别装置，包括：

图像获取模块，用于获取电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像并进行降噪处理；

窗宽窗位调节模块：用于调整窗宽窗位以从降噪处理后得到的数字灰度图像中选取待观察区域；

整体对比度增强模块，用于加强降噪处理后得到的数字灰度图像整体亮度及边缘对比度；

局部对比度增强模块，用于加强整体对比度增强后的数字灰度图像的局部亮度及边缘对比度；

灰度及形态对比模块，用于采用横向对比方式，通过对比局部对比度增强后的数字灰度图像中疑似缺陷点处的灰度及形态与横向同位置处的灰度及形态，进而初步判定出缺陷点；

缺陷对比模块，用于将初步判定出的缺陷点与预设的电缆阻水缓冲层缺陷库中的灰度图像进行比对，当从电缆阻水缓冲层缺陷库中找到相匹配的灰度图像时，该灰度图像对应的缺陷类型即为该缺陷点的最终缺陷类型。

本实施例的其他具体实现方案参见实施例1提供的电缆阻水缓冲层缺陷识别方法，在此不再赘述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电缆阻水缓冲层缺陷识别方法，其特征在于，包括：

获取图像：获取电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像并进行降噪处理；

窗宽窗位调节：调整窗宽窗位以从降噪处理后得到的数字灰度图像中选取待观察区域；

整体对比度增强：加强降噪处理后得到的数字灰度图像整体亮度及边缘对比度；

局部对比度增强：加强整体对比度增强后的数字灰度图像的局部亮度及边缘对比度；

灰度及形态对比：采用横向对比方式，通过对比局部对比度增强后的数字灰度图像中疑似缺陷点处的灰度及形态与横向同位置处的灰度及形态，进而初步判定出缺陷点；

缺陷对比：将初步判定出的缺陷点与预设的电缆阻水缓冲层缺陷库中的灰度图像进行比对，当从电缆阻水缓冲层缺陷库中找到相匹配的灰度图像时，该灰度图像对应的缺陷类型即为该缺陷点的最终缺陷类型。

2.根据权利要求1所述的电缆阻水缓冲层缺陷识别方法，其特征在于，所述电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像通过CCD或者平板探测器获得。

3.根据权利要求1所述的电缆阻水缓冲层缺陷识别方法，其特征在于，所述降噪处理为多图平均法降噪，具体包括：

电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像表示为：

g(x，y)＝f(x，y)+δ(x，y)

其中，g(x，y)为电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像，f(x，y)为无噪声图像，δ(x，y)为噪声；

针对同一场景拍摄m张电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像，并进行均值处理，得到降噪处理后的数字灰度图像g′(x，y)：

4.根据权利要求1所述的电缆阻水缓冲层缺陷识别方法，其特征在于，所述整体对比度增强采用巴特沃斯高通滤波器及伽马变换。

5.根据权利要求1所述的电缆阻水缓冲层缺陷识别方法，其特征在于，所述局部对比度增强采用限制对比度自适应直方图均衡算法，具体包括：

将整体对比度增强处理后的数字灰度图像分成若干子块，对若干子块进行直方图均衡化处理；并预设直方图的幅值上限，对每个子块中统计得到的直方图进行裁剪，使其幅值低于预设的幅值上限，再将这部分裁剪值形成的面积均匀地分配到整个灰度区间上，以保证直方图总面积不变；若分配后的直方图局部幅值再次超过预设的幅值上限，则重复上述裁剪过程，直到满足要求为止。

6.根据权利要求1至5任一项所述的电缆阻水缓冲层缺陷识别方法，其特征在于，所述缺陷对比之后还包括：

将该缺陷点的数字灰度图像及对应的缺陷类型添加至电缆阻水缓冲层缺陷库中，对电缆阻水缓冲层缺陷库进行扩充。

7.根据权利要求6所述的电缆阻水缓冲层缺陷识别方法，其特征在于，所述缺陷对比之后还包括：

若从电缆阻水缓冲层缺陷库中未找到与初步判定出的缺陷点相匹配的灰度图像，则对对应的真实电缆位置进行现场对比，当确定为缺陷点并判断出其缺陷类型后，将该缺陷点的数字灰度图像及对应的缺陷类型添加至电缆阻水缓冲层缺陷库中，对电缆阻水缓冲层缺陷库进行扩充。

8.根据权利要求1所述的电缆阻水缓冲层缺陷识别方法，其特征在于，所述缺陷类型包括气孔、裂纹、白色粉末、高密度夹渣。

9.一种电缆阻水缓冲层缺陷识别装置，其特征在于，包括：

图像获取模块，用于获取电缆阻水缓冲层的X射线数字灰度图像并进行降噪处理；

窗宽窗位调节模块：用于调整窗宽窗位以从降噪处理后得到的数字灰度图像中选取待观察区域；

整体对比度增强模块，用于加强降噪处理后得到的数字灰度图像整体亮度及边缘对比度；

局部对比度增强模块，用于加强整体对比度增强后的数字灰度图像的局部亮度及边缘对比度；

灰度及形态对比模块，用于采用横向对比方式，通过对比局部对比度增强后的数字灰度图像中疑似缺陷点处的灰度及形态与横向同位置处的灰度及形态，进而初步判定出缺陷点；

缺陷对比模块，用于将初步判定出的缺陷点与预设的电缆阻水缓冲层缺陷库中的灰度图像进行比对，当从电缆阻水缓冲层缺陷库中找到相匹配的灰度图像时，该灰度图像对应的缺陷类型即为该缺陷点的最终缺陷类型。

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