禁忌搜索在绝缘子红外图像分割中的应用

龚磊，姚建刚，李唐兵，张彦，廖威，伍也凡

1.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082

2.江西省电力科学研究院，南昌 330006

3.湖南湖大华龙电气与信息技术有限公司，长沙 410012

◎图形图像处理◎

禁忌搜索在绝缘子红外图像分割中的应用

龚磊1，姚建刚1，李唐兵2，张彦3，廖威3，伍也凡3

1.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082

2.江西省电力科学研究院，南昌 330006

3.湖南湖大华龙电气与信息技术有限公司，长沙 410012

针对利用红外成像技术检测输电线路中零值绝缘子所存在的图像分割问题，提出了一种类间方差（Otsu）双阈值分割和禁忌搜索相结合的图像分割算法。该方法以类间方差为适应度函数，通过领域移动、禁忌表、藐视准则确保算法不陷入局部最优解，同时，运行速度比基本Otsu双阈值分割算法更快。实验结果验证了该算法的有效性。

零值绝缘子；类间方差法；禁忌搜索；红外热像；图像分割

1 引言

绝缘子在长期运行中，会产生零值绝缘子，直接引起绝缘子断串、导线落地以及母线失压等事故发生[1]。传统的零值绝缘子检测方法具有工作量大、精度低及需停电等缺点。随着红外诊断技术的发展，文献[2]提出了一种基于红外成像技术的相对温度分布特征与人工神经网络相结合的零值绝缘子识别方法，该方法能有效避免传统方法的不足。而能否有效、快速将绝缘子串从拍摄的红外图像中分割出来是整个方法的前提与基础。

目前的图像分割方法主要有阈值法[3]、边缘检测法[4]、形态学分水岭法[5]和区域跟踪法[6]等。虽然方法众多，但没有一种通用的分割方法能适用于所有的图像分割，往往需要考虑图像的特点来采用分割方法。

绝缘子串的发热取决于其分布电压，而分布电压又由绝缘电阻决定。正常绝缘子绝缘电阻大，分布电压也大，发热较多，相对环境大气温升明显；零值绝缘子分布电压很小，发热功率明显小于正常绝缘子发热功率，但是相对环境大气略有温升。因此Otsu双阈值分割方法是一种很好的选择。但Otsu法通过搜索每一灰度级来计算其方差值，具有计算量大以及运行时间长的缺点[7]，这不满足零值绝缘子检测的实时性要求，故本文提出一种以Otsu函数为评价函数的禁忌搜索算法，该方法能较好地解决这个问题。

2 Otsu双阈值分割法

设图像的灰度级范围从0变化至L-1，共L个灰度级，由阈值t1和t2将其分为背景B、目标Α1和目标Α2三部分。令pi代表灰度i在图像中出现的概率，其中i∈L，背景B部分的概率为ωB，目标Α1部分的概率为ωA1，目标Α2部分的概率为ωA2；背景部分的均值为μB，目标Α1部分的均值为μA1，目标Α2部分的均值为μA2。

结合零值绝缘子红外图像的特点，本文将红外图像中背景部分记为B，零值绝缘子部分记为目标Α1，正常绝缘子部分记为目标Α2。当类间方差σ2取最大值时，对应的阈值为最佳阈值，然后令小于的灰度值为0，大于或等于的灰度值为1，从而得到分割后的二值图。

3 禁忌搜索算法

禁忌搜索算法是一种全局性领域搜索算法，是对局部领域搜索的一种扩展。禁忌搜索算法引入了一个灵活的存储结构和相应的禁忌准则来记录已经进行过的搜索过程，能避免迂回访问最近的已经被访问或搜索过的解。同时，它通过藐视准则来赦免一些被禁忌的优良状态，从而保证多样化的有效搜索以最终实现全局优化[8]。

本文采用的禁忌搜索算法流程如图1所示。

图1 算法流程图

具体实现步骤如下：

（1）设置参数。在本算法中候选解个数设为10，禁忌长度设为8。考虑到图像灰度共256级，本文将初始解设为（127，128），使搜索从可行域中间开始进行。由于阈值的取值范围为：0＜t1≤t2＜255，故可将禁忌表设为254×254的矩阵，并将其置零。

（2）产生新解。新解由区间[t1-2，t1+2]和区间[t2-2，t2+2]内的值组合而成，当然新解也必须满足步骤（1）中的阈值取值范围。

（3）计算目标函数值和选取候选解。根据公式（7）计算每一对新解的函数值，并按函数值从大到小排序。当新解个数大于10时，选取函数值较大的10个解作为候选解；否则将全部新解作为候选解。

（4）藐视准则。当最佳候选解的目标函数值大于最优解的目标函数值时，则无视其禁忌属性，将其作为最优解，然后将禁忌表中非零元素减1，再设置其禁忌长度；否则转步骤（5）。

（5）依次判断候选解的禁忌属性。如禁忌长度为零，则将该解作为当前解，再更新禁忌表。

（6）终止条件。本算法根据迭代步数来判断是否终止算法。经过对多张图片处理，发现迭代步数为260时，算法能有效地对图片进行分割。

4 实验结果及分析

实验图片在人工气候实验室内，由FILR SYSTEMS公司生产的型号为P30的红外摄像仪拍摄。在图片分割前，先进行滤波和图像增强预处理。为验证本文算法的有效性，将本文方法与Otsu单阈值法、基本Otsu双阈值法进行比较。

结合表1和图2可得出：Otsu单阈值法虽然运行速度最快，但不能对图像进行有效分割，存在过分割现象；本文分割方法得到的最终阈值非常接近基本Otsu双阈值法，且两者的分割效果也几乎相同，它们的分割结果是可以满足实际工程的需要，但是，本文方法在运行时间上比基本Otsu双阈值法要短得多，从而为零值绝缘子的实时检测打下了良好的基础，提高了检测效率。

表1 三种算法的比较

图2 原图及各方法分割效果图

5 结论

本文提出了一种以Otsu函数为评价函数的禁忌搜索图像分割算法。Otsu双阈值分割法能有效地对零值绝缘子红外图像进行分割，但是该方法需搜索每一灰度级，运行时间长；禁忌搜索法通过禁忌表来记录已搜索过的解，能帮助算法摆脱局部最优解。本文将Otsu双阈值分割法和禁忌搜索算法结合在一起，既能对图像进行准确分割，又能加快分割速度，为零值绝缘子的实时检测提供了保障。

[1]关志成，刘瑛岩，周远翔，等.绝缘子及输变电设备外绝缘[M].北京：清华大学出版社，2006：143-144，162-163.

[2]姚建刚，关石磊，陆佳政，等.相对温度分布特征与人工神经网络相结合的零值绝缘子识别方法[J].电网技术，2012，36（2）：170-175.

[3]邹小林，冯国灿.基于正则割（Ncut）的多阈值图像分割方法[J].计算机工程与应用，2012，48（19）：174-178.

[4]姚宇峰，夏开建，钟珊，等.改进的形态学和小波变换边缘检测算法研究[J].计算机工程与应用，2011，47（21）：214-216.

[5]陈婷婷，程小平.采用模糊形态学和形态学分水岭算法的图像分割[J].西南大学学报：自然科学版，2008，30（3）：142-145.

[6]Hijjatoleslami S A，Kittler J.Region growing：a new approach[J].IEEE Trans on Image Processing，1998，7（7）：1079-1084.

[7]郭永芳，于明，黄凯.基于细菌趋药性的Ostu双阈值图像分割算法[J].计算机工程，2011，37（22）：8-11.

[8]董宗然，陈明华，李迎秋.最短路径问题的禁忌搜索求解方法[J].计算机工程与应用，2010，46（33）：36-38.

GONG Lei1,YAO Jiangang1,LI Tangbing2,ZHANG Yan3,LIAO Wei3，WU Yefan3

1.School of Electrical&Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China
2.Jiangxi Electric Power Research Institute,Nanchang 330006,China
3.Hunan HDHL Electrical&Information Tech Co.,LTD,Changsha 410012,China

According to the image segmentation problem of using infrared imaging technique to detect zero resistance insulator in transmission lines,an image segmentation method on the combination of Otsu double thresholds segmentation and tabu search is proposed.This method takes Otsu for fitness function,and avoids getting into the local best by field moving,tabu list and aspiration criterion,at the same time,it runs faster than the basic Otsu double thresholds segmentation. The experimental result shows the validity of this algorithm.

zero resistance insulator;Otsu;tabu search;infrared image;image segmentation

A

TM85

10.3778/j.issn.1002-8331.1210-0251

GONG Lei,YAO Jiangang,LI Tangbing,et al.Tabu search algorithm application in segmentation of insulator infrared image.Computer Engineering and Applications,2014,50（6）：132-134.

国家重点产业振兴和技术改造项目（国发改投资[2010]2272）。

龚磊（1988—），男，硕士研究生，主要研究方向为输电线路状态检修及诊断、图像处理；姚建刚（1952—），男，教授，博士生导师，主要研究方向为线路及防污、配电系统自动化和新型输电方式、电力市场等。E-mail：gongl227@163.com

2012-10-26

2012-12-14

1002-8331（2014）06-0132-03

CNKI网络优先出版：2013-01-11，http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2127.TP.20130111.0953.021.html