X射線數字影像尺寸測量軟件開發與應用

姜文濤，劉榮海，楊迎春，張少泉，陳曉云

（1. 云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217；2. 華北電力大學 機械工程系，河北 保定 071003）

0 引言

近年，X射線數字影像[1-2]尺寸測量廣泛應用在電力設備檢測上。它以X射線數字影像為研究對象，通過測量軟件計算目標的長度、角度、面積、輪廓等各種幾何參數，而不破壞實體。

目前，常規X射線數字成像軟件測量模塊[3]僅可實現X射線圖像上兩點間距離的直線測量和以一點為中心兩直線之間的角度測量，不能夠對圖像輪廓及面積尺寸進行測量，無法全面滿足電力設備 X射線影像分析的需要。

為了滿足X射線影像測量的需要，文中利用圖像降噪、增強、特征提取和缺陷識別等算法，開發了X射線影像尺寸測量軟件，該軟件不僅能實現X射線影像直線距離和角度的測量，而且還可實現輪廓和面積的測量并且實現了輸電導線X射線影像的存儲、檢索、顯示，更好的為電力設備X影像分析提供了技術支撐[4]。

1 軟件開發理論基礎

該尺寸測量軟件基于X射線數字成像透視檢測系統[5]采集到的原始圖像進行智能處理和分析。其具有幾何變換、灰度變換、顏色調整、目標測量、圖像分割、圖像增強和數據庫等功能。

1.1 X 射線圖像預處理

X射線檢測圖像灰度分布不夠均勻、且存在噪聲干擾。為了消除不確定的隨機噪聲以及實現灰度分布的均衡化，對圖像進行了消噪和增強預處理。采用中值濾波與梯度銳化相結合的方法增強圖像，有效解決了以上問題，滿足了電力設備檢修任務中的檢測需要。

（1）中值濾波算法

中值濾波法[6]是一種非線性平滑技術，它將每一像素點的灰度值設置為該點某鄰域窗口內的所有像素點灰度值的中值，從而消除孤立的噪聲點。二維中值濾波輸出為：

其中，f(x,y)，g(x,y)分別為原始圖像和處理后圖像。W 為二維模板，通常為 3*3，5*5區域或是不同的的形狀。

（2）梯度銳化算法

銳化濾波將圖像中低頻分量濾去可使圖像反差增加，邊緣明顯，可用于增強被模糊的細節或者低對比度圖像的目標邊緣[7]。文中圖像銳化采用微分法，在圖像處理中，一階微分是通過梯度法來實現的。對于一幅圖像用函數 f （ x, y）表示，定義 f （ x, y ）在點（x, y）處的梯度是一個矢量，定義為：

梯度的方向在函數f（ x, y）最大變化率的方向上，梯度的幅度 G f （ x, y ）可由下式算出：

由上式可知，梯度的數值就是 f （ x, y）在其最大變化率方向上的單位距離所增加的量。對于數字圖像而言，微分?f?x和?f?y可用差分來近似。式（3）按差分運算近似后的梯度表達式為：

為便于編程和提高運算速度，在計算精度允許的情況下，可采用絕對差算法近似為：

這種梯度法又稱為水平垂直差分法，另一種梯度法是交叉地進行差分計算，稱為羅伯特梯度法（Robert Gradient），表示為：

同樣，可以采用絕對差算法近似為：

運用以上兩種梯度近似算法，即可增強圖像邊緣，使模糊的圖像變得更加清晰，目標物體的邊緣鮮明，便于提取目標的邊緣、對圖像進行分割、目標區域識別、區域形狀提取等，為進一步的圖像理解與分析奠定基礎。

1.2 圖像特征點位置提取

尺度空間理論是通過對原始圖像進行尺度變換，獲得圖像多尺度下的尺度空間表示序列，對這些序列進行尺度空間主輪廓的提取，并以該主輪廓作為一種特征向量，實現邊緣、角點檢測和不同分辨率上的特征提取等[8-9]。為了對圖像進行多尺度劃分，文中主要是利用高斯核對原始圖像進行尺度變換，獲得圖像多尺度下的尺度空間表示序列，對這些序列進行尺度空間特征提取，二維圖像的尺度空間定義為

式中

是尺度（σ）可變高斯函數。

在這一步里面，主要是建立高斯金字塔和DOG金字塔，然后在DOG金字塔里面進行極值檢測，以初步確定特征點的位置和所在尺度[10-11]。DOG算子定義為兩個不同尺度的高斯核的差分，其具有計算簡單的特點，是歸一化LOG算子的近似。

首先將圖像 I(x,y)與不同尺度因子下的高斯核G(x, y, σ)進行卷積操作，構成高斯金字塔。接著建立DOG金字塔，DOG金字塔通過高斯金字塔中相鄰尺度空間函數相減得到。最后在上面建立的DOG尺度空間金字塔中，檢測OG空間的最大值和最小值從而得到不同尺度空間下的穩定特征點

1.3 不變矩理論

矩特征主要表征了圖像區域的幾何特征，又稱為幾何矩，由于其具有旋轉、平移、尺度等特性的不變特征，所以又稱其為不變矩[12]。在圖像處理中，幾何不變矩可以作為一個重要的特征來表示物體，可以據此特征來對圖像進行分類等操作。

該軟件采用基于矩不變特征進行位置檢測的方法，通過計算待檢復雜構件的輪廓的二階中心矩，計算出傾斜角度，從而完成對傾斜構件的圖像位置的標準化處理。

1.4 基于SQL數據庫的圖像存儲

本軟件采用了SQL Server 數據庫[13-14]，減少了數據的冗余度，從而大大地節省了數據的存儲空間，實現數據資源的充分共享等。該圖像數據庫實現了數據的存儲、檢索、顯示等功能。點擊菜單【數據庫管理】，彈出【圖片管理】對話框，圖像數據存儲到數據庫中圖像數據文件名會顯示在【文件名】一欄里，點擊所選的文件名，對應的圖像會顯示在右側的活動窗口中。如下圖4所示。

右鍵單擊【文件名】菜單，可以添加、刪除、查找圖像，單擊添加文件，可以將圖像添加到數據庫中；單擊刪除文件，可以將選中的圖像從數據庫中刪除；單擊查找文件，將圖像名輸入到文本框中進行搜索，查找到的圖像將顯示在活動窗口右側，如圖5所示。該X射線數字影像尺寸測量軟件，將由基于X射線的電力設備數字成像透視檢測系統采集到的原始圖像輸出進行智能處理與分析，其操作界面中菜單欄主要顯示了該軟件的功能，活動窗口主要用于顯示圖像處理工程中可觀測到的處理結果。如下圖6所示。

圖1 管理功能登錄Fig.1 Management function login

圖2 數據庫管理功能Fig.2 Database management function

圖3 軟件操作界面Fig.3 Softw are operation interface

2 軟件尺寸測量應用

由于設備的移動會導致采集的圖像發生旋轉(R)、平移(T)、錯位(T)等問題而影響測量結果，項目中通過特征點提取，在利用矩不變方法特征點位置檢測方法實現了X射線影像直線距離和角度、輪廓和面積測量，為電力設備檢測提供了技術支持。

2.1 直線測量

測量導線壓入深度即是測量A與點B之間的距離，即先獲取由AB兩點的坐標（x1, y1），（y1, y2）。然后利用公式計算出距離d。d是相對的像素值的距離，實際距離 *D dk= ，k測量比常數。單擊第一個按鈕進行導線壓入深度測量，在圖像上單擊要測量距離的起點，記為點 A，拖動鼠標到要測量距離的終點并單擊鼠標，記為B點，即可測量導線壓入的深度，相應的信息顯示在測量信息對話框中，如圖7所示。

2.2 角度測量

該軟件可用來測量電力設備斷裂角度大小以便工作人員對損壞角度大小進行記錄，便于對比分析。如下圖8所示，為利用軟件檢測輸電電纜斷裂開口角度大小[14]。

圖4 導線壓入的深度手動測量示意圖Fig.4 A schematic diagram of depth manual measurement for wire pressure entry

圖5 電纜斷裂開口角度Fig.5 Cable fracture opening angle

實際工程應用中，對電力設備X射線影像的測量不僅需要測量兩點之間的直線距離，還需要對電力設備被斷裂、損傷輪廓線的長度以及磨損破壞面經大小進行測量，為此該軟件開發了輪廓和面積測量模塊[15]。

2.3 輪廓測量

實際測量應用中，所需利用鼠標描點的方式，可將X射線圖片輪廓線描出。從測量折（曲）線周長值。如下圖9所示為盆式絕緣子電弧腐蝕[16]后的腐蝕輪廓長度測量。

2.4 面積測量

盆式絕緣子電弧腐蝕面積的測量，其測量出的面積為區域像素點數大小，并由圖像總像素值即可得出腐蝕面積所占面積的比例，由此便于判斷腐蝕程度的大小。下圖10為實際測量實例。

圖7 盆式絕緣子電弧腐蝕面積Fig.7 Arc corrosion area of basin insulators

為了驗證該測量軟件是否準確，本文分別對以上測量數據與實物測量數據進行了對比，對比發現該軟件的測量精度較高，與實際測量數據誤差較小，滿足了測量分析需求。

3 結語

本文通過圖像降噪、增強、特征提取和不變矩等算法開發了X射線數字影像尺寸測量軟件，實現X射線影像直線距離和角度、輪廓和面積測量，并將軟件應用在耐張線夾壓接質量檢測，輸電線纜斷裂開口角度、以及盆式絕緣子電弧腐蝕輪廓及面積的測量，該軟件測量值與實際測量誤差較小，能滿足電力設備X影像分析需要。

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