[发明专利]基于距离变换和标记分水岭算法的绝缘子图像分割方法

权利要求书

1.基于距离变换和标记分水岭算法的绝缘子图像分割方法，其特征在于包括以下步骤：

1)图像预处理操作

采用灰度化、偏微分方程去噪、中值滤波和灰度拉伸进行图像预处理操作，并在此基础上利用Ostu法求得二值化阈值，将预处理后的红外图像转化为二值图像，该步骤实现绝缘子串区域和复杂背景的初步分割；

2)提取绝缘子串区域

对二值图像进行形态学骨架化处理，得到每个绝缘子对应的十字交点坐标，在交点坐标处采用泛洪扩散法计算图像的灰度值，以交点坐标为中心扩散得到只含绝缘子串区域的二值图，该步骤去除大部分干扰因素，对不同电压等级的绝缘子串区域实现粗分割；

3)角度校正；

在对不同电压等级的绝缘子串区域实现粗分割后，采用Hough变换对待分割绝缘子串实现基准线端点定位和倾斜角提取，以定位得到的基准线中心为旋转轴心，以倾斜角为旋转角度进行图像旋转，使绝缘子串基本处于水平位置；

4)提取绝缘子片区域

通过二值形态学处理调整图像形状，调整图像形状后作欧式距离变换，将距离变换处理后的图像当作灰度梯度图，对该图像取反并设定控制分割的标记符，再应用分水岭算法进行分割，寻找得到图像中绝缘子片对应的边界线并提取目标区域，将图像分割成不同区域，结合绝缘子片形态特征即可提取出不同区域内的铁帽和盘面区域，角度反校正后即可输出分割结果。

2.根据权利要求1所述的基于距离变换和标记分水岭算法的绝缘子图像分割方法，其特征在于：在步骤3)中，Hough变换的计算公式如下：

式中，(x,y)为图像空间坐标，(ρ，θ)为参数空间坐标的极坐标表示形式；

Hough变换中检测倾斜角的基本思路是由图像空间中的特征数据点去计算参数空间中的参数点的可能轨迹，并在累加器J(ρ，θ)中统计参考点，检测Hough域中曲线最频繁的交点，该交点对应着直角坐标系中最长直线；

然后以定位得到的基准线中心为旋转轴心，倾斜角为旋转角度调整图谱中绝缘子串倾斜度；输入为含倾斜绝缘子串的红外图像，输出为含校正后绝缘子串的红外图像。

3.根据权利要求2所述的基于距离变换和标记分水岭算法的绝缘子图像分割方法，其特征在于：在步骤4)中，通过二值形态学处理调整图像形状，并对二值图像求补后作欧式距离变换，其数学表达方式如式(2)所示：

式中，D表示每个像素点(x₁,x₂)到最近非零像素点(y₁,y₂)的距离；

将距离变换处理后的图像当作灰度梯度图，此时离边界越远的像素点越亮；对该图像取反并设定控制分割的标记符，这些标记符通常是梯度图像的局部最小值点，再应用分水岭算法进行分割；该算法的基本原理如下：

设M₁，M₂，…，M_R为表示图像g(x,y)的局部最小值点对应的坐标集合；设G(Mi)为一个坐标集合，这些点位于与局部最小值M_i相联系的汇水盆地内；min和max分别表示g(x,y)的最小值和最大值；设T[n]表示坐标(s,t)的集合，其中g(s,t)n，其数学表达式如下：

T[n]＝{(s,t)|g(s,t)＜n} (3)

式中，T[n]是g(x,y)中的坐标集合，且集合中的坐标均位于平面g(x，y)＝n下方；水位以整数量从n＝min+1到n＝max+1不断增加的过程中，T[n]中在g(x,y)＝n平面下的点被标记为黑色，反之则为白色；

设C_n(M_i)表示汇水盆地内的坐标集合，与第n阶段被淹没部分的最小值有关，其数学表达式如下：

C_n(M_i)＝C(M_i)∩T[n] (4)

若(x,y)∈C_n(M_i)且(x,y)∈T[n]，则位置(x,y)处存在C_n(M_i)＝1，反之则为0；

设C[n]表示第n个阶段汇水盆地中被水淹没部分的集合，C[max+1]为所有汇水盆地的集合，则：

由式(3)、(4)可知，处于C_n(M_i)和T[n]中的元素不会被替换，且其元素数目均与n保持同步增长；因此C[n-1]不仅是集合C[n]的子集，同样也是T[n]的子集；且C[n-1]中的每个连通分量都是T[n]中的连通分量；

变量初始化时设定C[min+1]＝T[min+1]；进入递归调用部分后运行到第n步时，依据C[n-1]求解C[n]的过程如下：令Q表示T[n]中连通分量的集合；对于每个连通分量q∈Q[n]，存在以下3种情况：

(i)q∩C[n-1]为空；

(ii)q∩C[n-1]包含C[n-1]中的一个连通分量；

(iii)q∩C[n-1]包含C[n-1]多于一个的连通分量；

根据C[n-1]构造C[n]取决于以上3种情况；当存在新的最小值时，满足情况(i)，将q并人C[n-1]构成新的C[n]集合；当q位于某些局部最小值构成的汇水盆地中时，满足情况(ii)，此时将q合并入C[n-1]构成新的C[n]集合；当q位于两个及以上汇水盆地的山脊线处时，满足情况(iii)，此时进一步注水会导致不同盆地中的水聚合；在q内建立一座水坝，即为所求绝缘子片的分割线。