基于Canny算子的高压输电铁塔图像边缘检测研究

李　斌，宋人杰，赵立权

（东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012）

基于Canny算子的高压输电铁塔图像边缘检测研究

李斌，宋人杰，赵立权

（东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012）

为了实现高压输电铁塔架构健康状态的监测，文章提出了基于Canny算子的高压输电塔图像边缘检测方法。并使用了两种常用的边缘检测方法与提出的方法进行了对比试验，仿真实验结果证明文章中提出的基于Canny算子的高压输电塔图像边缘检测方法的边缘检测效果优于另外两种方法。

Canny算子；高压输电铁塔；边缘检测

高压输电塔状态检测和危险预警系统可以有效和及时地检测到输电塔遭到了人为或自然破坏，因而受到越来越多的关注。从视频图像中提取出高压输电塔的边缘和轮廓是进行高压输电塔状态检测和危险预警的前提。本文提出了基于Canny算子的高压输电塔图像边缘检测方法。并分别使用了Robert，Sobel两种边缘检测算子与基于Canny算子的方法进行了对比。仿真实验结果证明本文提出基于Canny算子的高压输电塔图像边缘检测方法的边缘检测效果优于另外两种方法。

1　边缘检测方法概述

边缘是指图像中灰度发生剧烈变化的区域边界［1］，是图像最基本的特征之一。在图像处理过程中，边缘检测可以减少数据量并保留图像的形状信息，边缘检测的效果将直接影响图像的分析、识别等。传统的边缘检测算法如一阶Robert算子、Sobel算子、Prewitt算子、Kirsch算子，二阶Laplacian算子、LOG算子都是微分算子。微分算子以一阶导数极大值点或二阶导数过零点作为候选边缘点，通过选取合适的阈值，提取图像边缘信息［2］。但是，由于微分运算对噪声敏感，抗噪性差，边缘不够精细，所以在实际边缘检测应用中并不理想。为提高边缘检测算法的性能，John Canny于1986年提出了边缘检测算子应满足的3个判断准则：信噪比准则、定位精度准则和单边缘响应准则，并由此推导出了最佳边缘检测算法—Canny算法［3］。

近年来，学者提出了许多新兴边缘检测算法，如数学形态学法、模糊学法、神经网络法、小波变换法等。但是由于算法复杂度、时间耗费等原因实际应用较少。

2　基于Canny算子的高压输电塔边缘检测方法

2.1 基于Robert算子的边缘检测

Robert算子利用局部差分寻找边缘，采用对角线方向相邻两像素之差近似梯度幅值。其梯度幅值为：

其中

2.2 Sobel算子

Sobel算子是利用梯度与差分原理组成的锐化算子，对靠近中心的像素点进行加权以突出边缘。Sobel算子定义水平梯度分量Gx和垂直梯度分量 Gy分别为：其中：

2.3 基于Canny算子的边缘检测

Canny边缘检测算法首先使用高斯滤波器平滑图像，再计算图像的梯度幅值和方向，之后对梯度图像进行非极大值抑制，最后使用双阈值法检测和连接边缘。二维高斯函数定义为：

其中σ为高滤波器参数，控制图像的平滑程度。

Canny算法采用2×2邻域内的一阶微分算子来计算平滑后图像的梯度幅值和梯度方向，点（i, j）处水平梯度分量和垂直梯度分量分别为：

为了得到定位精准和细化的边缘，平滑后的图像要进行非极大值抑制。Canny算法在梯度幅值图像G中以点（i, j）为中心的邻域内沿梯度方向进行插值。若点（i, j）处的梯度幅值大于梯度方向上与其相邻的两个差值，则将点（i, j）标记为候选边缘点，否则标记为非边缘点。

Canny算法采用双阈值法从候选边缘点中检测和连接边缘。双阈值算首先选取高阈值Th、低阈值Tl，然后对候选边缘点进行检测。若点（i, j）处的梯度幅值高于高阈值Th，则认为该点是边缘点。若点（i, j）处的梯度幅值低于低阈值Tl，则认为该点不是边缘点。由梯度幅值高于高阈值的点组成的强边缘图像中不含虚假边缘，但边缘连续性差。为使边缘变得连续，将边缘点的8邻域内像素梯度幅值高于低阈值Tl的点也视为边缘点。

Robert算子和Sobel算子以一阶导数的极大值点作为候选边缘点。通过设置阈值，将梯度幅值大于阈值的点视为边缘点，这样做的缺点是抗噪性差，边缘定位不准确。而Canny算子首先对图像使用高斯滤波器平滑图像，再对平滑后的图像进行非极大值抑制，保证单一边缘。因此，抗造性强、边缘定位精准。本文将Canny算子用于高电压输电塔的边缘检测。

3　实验仿真与分析

为验证Canny算子边缘检测效果，本文选择了Robert算子和Sobel算子作为对比。本文采用高压输电铁塔图像作为信源图像，使用Matlab工具对比各算法的边缘检测效果。仿真效果如图1所示。

对比实验结果可以看出，Robert算子边缘检测结果较粗，边缘定位不准确、噪声较多，并且丢失了部分边缘信息。Sobel算子检测到的边缘较Robert算子精细，对噪声有一定的抑制能力，但存在伪边缘现象，损失部分边缘信息，视觉效果不好。Canny算子采用高斯滤波器对图像进行的平滑处理使其具有较强的抗干扰能力，非极大值抑制提高了边缘的定位精度。因此，基于Canny算子的高压输电塔边缘检测算法能较准确地检测塔杆信息，获得较丰富的图像细节信息，边缘定位精度高、连续性好。

图1 边缘检测效果图

4　结语

本文提出了基于Canny算子的高压输电塔图像边缘检测方法，并将本文提出的方法与Robert边缘检测方法、Sobel边缘检测方法进行了对比试验，实验结果证明本文提出了基于Canny算子的高压输电塔图像边缘检测方法的边缘检测效果优于另外两种方法。

［1］段瑞玲，李庆祥，李玉和.图像边缘检测方法研究综述［J］. 光学技术，2005（3）：415-419.

［2］吕哲，王福利，常玉清.一种改进的Canny边缘检测算法［J］.东北大学学报（自然科学版），2007（12）：1681-1684.

［3］Canny J. A Computational Approach to Edge Detection［J］. Pattern Analysis & Machine Intelligence， 1986（6）：679-689.

Research on edge detection of high voltage transmission tower image based on Canny operator

Li Bin， Song Renjie， Zhao Liquan
（Information Engineering College of Northeast Dianli University， Jilin 132012， China）

In order to realize the monitoring of the health status of the high voltage transmission tower， this paper proposed the image edge detection method of transmission based on Canny operator. There were two other common edge detection methods proposed to contrast with the method in this paper. The result of simulation experiment showed the effect of the image edge detection method of transmission based on Canny operator in this paper is better than the other two methods.

canny operator； high voltage transmission tower； edge detection

项目名称：黑龙江省电力有限公司科技开发；项目编号：LNZB-2015-FW2-KX-004。

李斌（1982— ），男，吉林吉林，副教授；研究方向：图像处理，模式识别。