本發(fā)明涉及圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著高速鐵路運(yùn)輸技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，高鐵接觸網(wǎng)作為向機(jī)車提供電能的重要設(shè)施，其是否處于安全工作狀態(tài)也越來越受到關(guān)注。為了保證接觸網(wǎng)處于良好工作狀態(tài)，以利于電氣化鐵道的安全運(yùn)營，盡早發(fā)現(xiàn)并處理接觸網(wǎng)故障。實(shí)際中，高鐵接觸網(wǎng)故障主要由零部件的松、脫、缺、裂等造成。目前，接觸網(wǎng)檢測模式主要還是在天窗作業(yè)時(shí)人工上線巡檢，但由于線路所處環(huán)境復(fù)雜，人為觀察危險(xiǎn)性高以及職工素質(zhì)不均等因素，及有可能會出現(xiàn)漏檢的情況，從而造成安全隱患。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器視覺技術(shù)的發(fā)展，在高鐵接觸網(wǎng)的故障檢查和維護(hù)時(shí)，應(yīng)用高科技技術(shù)變的越來越普遍。應(yīng)用這些技術(shù)不僅能夠節(jié)約人力資源成本，還能夠更快更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)故障，從而方便高鐵接觸網(wǎng)的維護(hù)，減小維護(hù)周期，提高維護(hù)效率。但是對于高鐵區(qū)段中接觸網(wǎng)懸掛規(guī)格不一致的情況，現(xiàn)有的成像檢測裝置在換一條線路時(shí)則需要修改為不同的方法，時(shí)間成本和人力成本均較高。并且在同一線路上接觸網(wǎng)懸掛也具有不同的規(guī)格，在圖像上具有不同的成像結(jié)果，將各種形態(tài)的圖像進(jìn)行歸一是后續(xù)圖像分析時(shí)故障識別的必須步驟。本發(fā)明真實(shí)針對該需求而提出的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像歸一化方法及系統(tǒng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法及系統(tǒng)，通過該方法及系統(tǒng)能夠快速識別出大量待處理圖像中的零部件的類型，并能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同圖像的歸一化處理， 為后續(xù)基于圖像的各零部件的問題分析提供了良好的基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法，包括以下步驟：

(1)獲取高鐵接觸網(wǎng)接觸懸掛部分的各感興趣零部件的圖像，根據(jù)獲取的圖像建立各感興趣零部件的模板圖像；

(2)將待匹配圖像與各模板圖像進(jìn)行匹配，計(jì)算待匹配圖像與各模板圖像的相似度，根據(jù)相似度確定出待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像；確定方式為：

判斷待匹配圖像與模板圖像的相似度是否大于設(shè)定閾值，若是，則該相似度所對應(yīng)的模板圖像是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像，若否，則該相似度所對應(yīng)的模板圖像不是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像；

(3)將待匹配圖像進(jìn)行歸一化處理，所述歸一化處理包括圖像尺寸歸一化和圖像灰度歸一化。

進(jìn)一步，如上所述的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法，步驟(1)中，建立模板圖像的方式為：

選定各感興趣零部件的圖像，將圖像記為點(diǎn)集p，點(diǎn)集p中的元素為感興趣零部件的圖像中各像素點(diǎn)的坐標(biāo)，點(diǎn)集p中各像素點(diǎn)的方向向量的點(diǎn)集為d，以所述點(diǎn)集p和點(diǎn)集d表示感興趣零部件的模板圖像；一個像素點(diǎn)的方向向量為該像素點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)之間直線的方向向量。

進(jìn)一步，如上所述的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法，步驟(2)中，將待匹配圖像與各模板圖像進(jìn)行匹配，計(jì)算待匹配圖像與各模板圖像的相似度，根據(jù)相似度確定出待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像，包括：

2-1)計(jì)算待匹配圖像中每個像素點(diǎn)的方向向量，待匹配圖像中所有像素點(diǎn)的方向向量記為點(diǎn)集e；

2-2)計(jì)算模板圖像與待匹配圖像的相似度，所述相似度為模板圖像中所有像素點(diǎn)的方向向量和待匹配圖像的像素點(diǎn)的方向向量的點(diǎn)積的總和；

2-3)將所述相似度進(jìn)行歸一化處理，判斷歸一化后的相似度是否大于設(shè) 定閾值，若是，則所述待匹配圖像中的零部件是該相似度所對應(yīng)的模板圖像中的零部件，該相似度所對應(yīng)的模板圖像是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像，若否，則該相似度所對應(yīng)的模板圖像不是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像。

進(jìn)一步，如上所述的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法，步驟2-2)中，計(jì)算模板圖像與待匹配圖像相似度的公式為：

其中，n為模板圖像中像素點(diǎn)的個數(shù)，di為模板圖像中像素點(diǎn)i的方向向量，eq+p為待匹配圖像中與模板圖像中的像素點(diǎn)i相對應(yīng)點(diǎn)的像素點(diǎn)的方向向量，為和eq+p的點(diǎn)積，為di的轉(zhuǎn)置向量；

步驟2-3)中，將相似度進(jìn)行歸一化處理的公式為：

其中，s'為歸一化后的相似度，||di||為方向向量di的長度，||eq+p||為方向向量eq+p的長度。

進(jìn)一步，如上所述的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法，步驟2-2)中，在計(jì)算模板圖像與待匹配圖像相似度之前，還包括將所述待匹配圖像進(jìn)行線性增強(qiáng)處理的步驟。

進(jìn)一步，如上所述的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法，步驟(1)中，所述感興趣零部件包括定位器支座、斜拉線定位鉤、承力索支撐底座、雙耳套筒、上端套筒、下端套筒、防風(fēng)拉線固定環(huán)、橫腕臂絕緣子、斜腕臂絕緣子、橫腕臂底座和斜腕臂底座。

進(jìn)一步，如上所述的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法，步驟(3)中，所述圖像尺寸歸一化的方式為：

①將待匹配圖像進(jìn)行歸一化矩陣變換，使待匹配圖像中與模板圖像相匹配的區(qū)域的中心坐標(biāo)與模板圖像的中心坐標(biāo)重合；所述矩陣變換包括平移變換、縮放變換和旋轉(zhuǎn)變換；

②以模板圖像的中心坐標(biāo)為中心，按照預(yù)設(shè)的圖像尺寸，將矩陣變換后的待匹配圖像進(jìn)行裁剪。

進(jìn)一步，如上所述的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法，步驟①中，將待匹配圖像進(jìn)行歸一化矩陣變換的歸一化矩陣hommat2dglobal的公式為：

hommat2dglobal＝

hommat2dtranslate*hommat2dscale*hommat2drotate

其中，hommat2dtranslate表示平移變換矩陣，hommat2dscale表示縮放變換矩陣，hommat2drotate表示旋轉(zhuǎn)變換矩陣；

所述平移變換矩陣計(jì)算方式為：

其中,modelrow、modelcolumn分別表示模板圖像的中心的行坐標(biāo)和列坐標(biāo)，row、column分別表示匹配到的目標(biāo)的中心在待匹配圖像中的行坐標(biāo)和列坐標(biāo)；

所述縮放變換矩陣為：

其中，modelscale表示待匹配圖像歸一化時(shí)，待匹配圖像相對于模板圖像的縮放系數(shù)；

所述旋轉(zhuǎn)變換矩陣為：

其中，phi表示待匹配圖像歸一化時(shí)，待匹配圖像相對于模板圖像的旋轉(zhuǎn)角度。

進(jìn)一步，如上所述的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法，步驟(3)中，所述圖像灰度的歸一化處理的公式為：

f(g)＝ag+b

a＝(2^b-1)/(gmax-gmin)

b＝-agmin

其中，f(g)為灰度歸一化后的匹配圖像中像素點(diǎn)的灰度值，g為灰度歸一化前的匹配圖像中像素點(diǎn)的灰度值；gmax是待匹配圖像中的最大灰度值；gmin是待匹配圖像中的最小灰度值。

本發(fā)明實(shí)施例中還提供了一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化系統(tǒng)，包括：

模板圖像建立模塊，用于獲取高鐵接觸網(wǎng)接觸懸掛部分的各感興趣零部件的圖像，根據(jù)獲取的圖像建立各感興趣零部件的模板圖像；

圖像匹配模塊，用于將待匹配圖像與各模板圖像進(jìn)行匹配，計(jì)算待匹配圖像與各模板圖像的相似度，根據(jù)相似度確定出待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像；確定方式為：

判斷待匹配圖像與模板圖像的相似度是否大于設(shè)定閾值，若是，則該相似度所對應(yīng)的模板圖像是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像，若否，則該相似度所對應(yīng)的模板圖像不是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像；

圖像歸一化模塊，用于將待匹配圖像進(jìn)行歸一化處理，所述歸一化處理包括圖像尺寸歸一化和圖像灰度歸一化。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明所提供的高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法及系統(tǒng)，基于各零部件的模板圖像，能夠快速識別出眾多的圖像中每幅圖像為哪個零部件的圖像，并能夠?qū)崿F(xiàn)各種不同圖像的歸一化處 理，為后續(xù)基于圖像的各零部件的問題分析提供了良好的基礎(chǔ)，大大提高了后續(xù)圖像分析的效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實(shí)施方式中提供的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明具體實(shí)施方式中提供的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說明書附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

圖1示出了本發(fā)明具體實(shí)施方式中提供的一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化方法的流程圖，由圖中可以看出，該方法主要包括以下幾個步驟：

步驟s100：建立高鐵接觸網(wǎng)各感興趣部件的模板圖像；

首先，獲取高鐵接觸網(wǎng)接觸懸掛部分(支持定位裝置等部分)的各感興趣零部件的圖像，根據(jù)獲取的圖像建立各感興趣零部件的模板圖像。所述感興趣零部件指的高鐵接觸網(wǎng)中可能出現(xiàn)故障的部件，一般主要是一些其連接作用的零部件，本實(shí)施方式中，所述感興趣部件包括但不限于包括定位器支座、斜拉線定位鉤、承力索支撐底座、雙耳套筒、上端套筒、下端套筒、防風(fēng)拉線固定環(huán)、橫腕臂絕緣子、斜腕臂絕緣子、橫腕臂底座和斜腕臂底座等。

為了建立各感興趣零部件的模板圖像，可以通過高清圖像采集設(shè)備單獨(dú)分別采集各感興趣零部件的高清圖像，然后依據(jù)該高清圖像建立模板圖像，也可以是通過高清圖像采集設(shè)備采集一些接觸懸掛裝置中包括上述各零部件的圖像，然后選擇成像效果較好的圖像，然后再在選擇出的圖像中切分出各感興趣零部件所在區(qū)域的圖像，分別對切分出的各感興趣零部件的區(qū)域圖像進(jìn)行操作，完成模板圖像的建立。

本實(shí)施方式中，依據(jù)各感興趣零部件的圖像中像素點(diǎn)的坐標(biāo)和各像素點(diǎn) 的方向向量來完成各感興趣零部件的模板圖像的建立，具體的：

選定各感興趣零部件的圖像，將圖像記為點(diǎn)集p，點(diǎn)集p中的元素為感興趣零部件的圖像中各像素點(diǎn)的坐標(biāo)，點(diǎn)集p中各像素點(diǎn)的方向向量的點(diǎn)集記為d，將所述點(diǎn)集p和d表示為感興趣圖像的模板圖像；

pi＝(ri,ci)^t

di＝(ti,ui)^t

其中，pi表示模板圖像中像素點(diǎn)i的坐標(biāo)，ri、ci分別表示像素點(diǎn)i的行坐標(biāo)和列坐標(biāo)，di為像素點(diǎn)i的方向向量；一個像素點(diǎn)的方向向量為該像素點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)與坐標(biāo)原點(diǎn)之間直線的方向向量，坐標(biāo)原點(diǎn)為模板圖像的左上角。本實(shí)施方式中，采用了向量的方式對像素點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行了表示，像素點(diǎn)i的坐標(biāo)pi為點(diǎn)集p中的第i個元素，即

其中，像素點(diǎn)的方向向量可以通過各種不同的圖像處理操作得到，一般情況下可以使用邊緣提取的方法來計(jì)算各像素點(diǎn)的方向向量。

步驟s200：將待匹配圖像與各模板圖像進(jìn)行匹配，計(jì)算待匹配圖像與各模板圖像的相似度，根據(jù)相似度確定出待匹配圖像所對應(yīng)的所對應(yīng)的模板圖像；

所述待匹配圖像指的是需要識別的圖像。通過計(jì)算待匹配圖像與各模板圖像的相似度，來完成待匹配圖像的識別，具體的：

計(jì)算待匹配圖像與各模板圖像的相似度，判斷待匹配圖像與模板圖像的相似度是否大于設(shè)定閾值，若是，則該相似度所對應(yīng)的模板圖像是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像，若否，則該相似度所對應(yīng)的模板圖像不是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像。

在實(shí)際識別中，如果待匹配圖像與兩個或多個模板圖像的相似度均大于設(shè)定閾值，此時(shí)將相似度最高的模板圖像確定為待匹配圖像的模板圖像。

本實(shí)施方式中，將待匹配圖像與各模板圖像進(jìn)行匹配，計(jì)算待匹配圖像與各模板圖像的相似度，根據(jù)相似度確定出待匹配圖像所對應(yīng)的所對應(yīng)的模板圖像的具體步驟包括：

1)計(jì)算待匹配圖像中每個像素點(diǎn)(r,c)的方向向量，待匹配圖像中所有像素點(diǎn)的方向向量記為點(diǎn)集e，er,c＝(vr,c,wr,c)^t；與模板圖像中像素點(diǎn)的方向向量表示方式相同，(vr,c,wr,c)^t表示點(diǎn)集e中的任一元素即待匹配圖像中像素(r,c)的方向向量；

在實(shí)際應(yīng)用中，對于通過圖像采集設(shè)備采集到的待匹配圖像，為了更加突出待匹配圖像中零部件的特征首先對待匹配圖像進(jìn)行線性增強(qiáng)處理，以提高圖像對比度。將待匹配圖像進(jìn)行線性增強(qiáng)的方式采用現(xiàn)有的圖像增強(qiáng)方式即可，如采用對比度拉伸進(jìn)行圖像增強(qiáng)。

如果進(jìn)行了圖像的線性增強(qiáng)，該步驟中則計(jì)算線性增強(qiáng)后的待匹配圖像中每個像素點(diǎn)的方向向量。

2)計(jì)算模板圖像與待匹配圖像的相似度，所述相似度為模板圖像中所有像素點(diǎn)的方向向量和待匹配圖像相應(yīng)像素點(diǎn)的方向向量的點(diǎn)積的總和；本實(shí)施方式中，計(jì)算模板圖像與待匹配圖像相似度的方式為：

其中，n為模板圖像中像素點(diǎn)的個數(shù)，di為模板圖像中像素點(diǎn)i的方向向量，eq+p為待匹配圖像中與模板圖像中的像素點(diǎn)i相對應(yīng)點(diǎn)的像素點(diǎn)的方向向量，為和eq+p的點(diǎn)積，為di的轉(zhuǎn)置；

3)將所述相似度進(jìn)行歸一化處理，判斷歸一化后的相似度是否大于設(shè)定閾值，若是，則所述待匹配圖像中的零部件是該相似度所對應(yīng)的模板圖像中的零部件，則該相似度所對應(yīng)的模板圖像是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像，若否，則該相似度所對應(yīng)的模板圖像不是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像；本實(shí)施方式中，將相似度進(jìn)行歸一化處理的公式為：

其中，s'為歸一化后的相似度，||di||為方向向量di的長度，||eq+p||為方向向量eq+p的長度。

使用歸一化的相似度使得圖像匹配可以不受任意光照變化的影響，歸一 化的相似度都將返回一個小于等于1的作為待匹配對象與模板圖像的匹配分值，相似度越高兩者越匹配。所述設(shè)定閾值根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的場景進(jìn)行設(shè)定，為[0,1]的數(shù)字，如可以設(shè)置為0.5。

記錄模板的中心行坐標(biāo)modelrow和列坐標(biāo)modelcolumn，以及歸一化時(shí)，待匹配圖像需要旋轉(zhuǎn)的角度modelangle(待匹配圖像中與模板圖像相匹配的區(qū)域的圖像相對于模板圖像的旋轉(zhuǎn)角度)，以及待匹配圖像相對于模板圖像的縮放系數(shù)modelscale。

在實(shí)際應(yīng)用中，基于圖像的高鐵接觸網(wǎng)各部分的故障分析，首先都需要采集大量的各零部件的圖像，在需要對某一特定零部件進(jìn)行分析時(shí)，首先需要選出所采集的大量圖像中屬于該零部件的圖像，采用上述匹配方式，可以依據(jù)該零部件的模板圖像，識別出大量圖像中的屬于該零部件的圖像，此時(shí)，只需要以需要分析的零部件的模板圖像為依據(jù)，計(jì)算所有采集的圖像與該模板圖像的相似度，依據(jù)相似度識別出所采集到的圖像中屬于該零部件的圖像。

步驟s300：將待匹配圖像進(jìn)行歸一化處理。

本實(shí)施方式中，所述歸一化處理包括圖像尺寸歸一化和圖像灰度歸一化。其中，圖像尺寸歸一化的方式為：

①將待匹配圖像進(jìn)行歸一化矩陣變換；所述矩陣變換包括平移變換、縮放變換和旋轉(zhuǎn)變換；

②以模板的中心坐標(biāo)為中心，按照預(yù)設(shè)的圖像尺寸，將矩陣變換后的待匹配圖像進(jìn)行裁剪。本實(shí)施方式中，所述預(yù)設(shè)的圖像尺寸大小可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景(需要考慮模板圖像的尺寸、待匹配圖像的尺寸等因素)進(jìn)行設(shè)定。

本實(shí)施方式中，步驟①中，將待匹配圖像進(jìn)行歸一化矩陣變換的歸一化矩陣hommat2dglobal的公式為：

hommat2dglobal＝

hommat2dtranslate*hommat2dscale*hommat2drotate

其中，hommat2dtranslate表示平移變換矩陣，hommat2dscale表示縮放變換矩陣，hommat2drotate表示旋轉(zhuǎn)變換矩陣；

所述平移變換矩陣計(jì)算方式為：

其中,modelrow、modelcolumn分別表示模板圖像的中心的行坐標(biāo)和列坐標(biāo)，row、column分別表示匹配到的目標(biāo)的中心在待匹配圖像中的行坐標(biāo)和列坐標(biāo)(在進(jìn)行模板圖像和待匹配圖像的匹配時(shí)，待匹配圖像中與模板圖像匹配的區(qū)域的中心的坐標(biāo))；

所述縮放變換矩陣為：

其中，modelscale表示待匹配圖像歸一化時(shí)，待匹配圖像相對于模板圖像的縮放系數(shù)；

所述旋轉(zhuǎn)變換矩陣為：

其中，phi表示待匹配圖像歸一化時(shí)，待匹配圖像相對于模板圖像的旋轉(zhuǎn)角度，即phi＝modelangle。

本實(shí)施方式中，所述圖像灰度的歸一化處理的公式為：

f(g)＝ag+b

a＝(2^b-1)/(gmax-gmin)

b＝-agmin

其中，f(g)為灰度歸一化后的匹配圖像中像素點(diǎn)的灰度值，g為灰度歸一化前的匹配圖像中像素點(diǎn)的灰度值；gmax是待匹配圖像中的最大灰度值；gmin是待匹配圖像中的最小灰度值；a反應(yīng)的是圖像對比度；b反應(yīng)的是圖像的亮度。

本發(fā)明所提供的上述圖像的識別及歸一化方法，為多條高鐵線路接觸網(wǎng) 結(jié)構(gòu)不一致時(shí)的圖像分析算法提供了方便，能夠?qū)崿F(xiàn)接觸網(wǎng)懸掛上其主要連接作用的零部件的定位，能夠?qū)⒔佑|網(wǎng)懸掛上零部件的高清圖像進(jìn)行尺寸及灰度的歸一化處理，給不同的高鐵接觸網(wǎng)零部件的圖像分析提供了一種思路。

與本發(fā)明所提供的上述圖像的識別及歸一化方法相對應(yīng)，本發(fā)明還提供了一種高鐵接觸網(wǎng)多線路圖像的識別及歸一化系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)包括模板圖像建立模塊100、圖像匹配模塊200和圖像歸一化模塊300。其中：

模板圖像建立模塊100，用于獲取高鐵接觸網(wǎng)接觸懸掛部分的各感興趣零部件的圖像，根據(jù)獲取的圖像建立各感興趣零部件的模板圖像；

圖像匹配模塊200，用于將待匹配圖像與各模板圖像進(jìn)行匹配，計(jì)算待匹配圖像與各模板圖像的相似度，根據(jù)相似度確定出待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像；確定方式為：

判斷待匹配圖像與模板圖像的相似度是否大于設(shè)定閾值，若是，則該相似度所對應(yīng)的模板圖像是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像，若否，則該相似度所對應(yīng)的模板圖像不是待匹配圖像所對應(yīng)的模板圖像；

圖像歸一化模塊300，用于將待匹配圖像進(jìn)行歸一化處理，所述歸一化處理包括圖像尺寸歸一化和圖像灰度歸一化。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。