專利名稱：基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于數(shù)字視頻圖像處理及輸電線路在線監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種覆冰厚度測(cè)量方法，具體涉及一種基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
輸變電系統(tǒng)中，輸電線路覆冰現(xiàn)象十分普通。覆冰可能引起導(dǎo)線舞動(dòng)、桿塔傾斜、 倒塔及絕緣子閃絡(luò)等重大事故，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。隨著科技的快速發(fā)展，覆冰的在線監(jiān)測(cè)方法也得到了發(fā)展，目前主要有兩種絕緣子覆冰檢測(cè)方案(1)通過(guò)巡視人員現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄氣象信息及覆冰情況。但由于輸電線路覆冰所處地區(qū)人煙稀少、交通不便， 極大地增加了巡視人員的勞動(dòng)強(qiáng)度；另外，輸電線路覆冰情況受局部微地形影響大，這樣也降低的監(jiān)測(cè)結(jié)果的時(shí)效性和準(zhǔn)確性；( 通過(guò)在線路上安裝測(cè)量張力、重量、氣候等參數(shù)的傳感器，實(shí)現(xiàn)覆冰監(jiān)測(cè)。但是張力、重量與覆冰狀況之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不明確，缺少直接判斷依據(jù)，很難判斷覆冰的冰厚、冰量、絕緣子覆冰類型等情況，而且傳感器的安裝也不方便，因而應(yīng)用受到限制。本發(fā)明以安裝在輸電線路桿塔上的攝像機(jī)采集到的現(xiàn)場(chǎng)圖像為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)圖像進(jìn)行一系列圖像處理后，識(shí)別并計(jì)算輸電線路絕緣子的覆冰厚度，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)超限報(bào)警，為輸電線路覆冰監(jiān)測(cè)提供了一種經(jīng)濟(jì)、直觀又簡(jiǎn)單的手段，對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法，解決了現(xiàn)有絕緣子覆冰監(jiān)測(cè)方法巡視人員勞動(dòng)強(qiáng)度高、傳感器安裝不方便的問(wèn)題。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法，具體按照以下步驟實(shí)施步驟1 通過(guò)安裝在桿塔上的攝像機(jī)采集輸電線路的圖像信號(hào)，將采集到的圖像信號(hào)無(wú)線傳送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心從圖像信號(hào)中獲取所監(jiān)測(cè)的輸電線路現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字圖像，得到監(jiān)測(cè)目標(biāo)圖像；步驟2 對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，確定世界坐標(biāo)系中已知點(diǎn)與它們?cè)谕队皥D像中的對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟3 對(duì)步驟1得到的監(jiān)測(cè)目標(biāo)圖像進(jìn)行預(yù)處理；步驟4 對(duì)步驟3得到的預(yù)處理后的圖像進(jìn)行模板匹配；步驟5 在步驟4確定的算法處理區(qū)域中利用圖像分割將絕緣子分割出來(lái)；步驟6 通過(guò)計(jì)算步驟5中分割出的絕緣子的邊界距離判斷是否覆冰；步驟7 計(jì)算步驟6提取得到的絕緣子覆冰前后邊界之間的距離，這兩個(gè)距離之差便是絕緣子的覆冰厚度。本發(fā)明的特點(diǎn)還在于，其中步驟2中的攝像機(jī)標(biāo)定，具體按照以下步驟實(shí)施
1)選擇合適的標(biāo)定板，創(chuàng)立描述標(biāo)定板行數(shù)和列數(shù)、外框的幾何尺寸、方向標(biāo)記、 圓形標(biāo)志的半徑的描述文件；2)利用標(biāo)定板的特點(diǎn)，通過(guò)閾值分割、邊緣提取、最小化代數(shù)誤差擬合算法提取目標(biāo)板的特征，確定容易確定的標(biāo)志點(diǎn)及其與圖像中投影的關(guān)系；3)確定標(biāo)定板上圓形標(biāo)志點(diǎn)的二維坐標(biāo)，并得到攝像機(jī)外部參數(shù)的初始值；4)通過(guò)提供的初始參數(shù)為初始值，進(jìn)行優(yōu)化搜索獲得誤差最小化的過(guò)程，計(jì)算出攝像機(jī)的所有參數(shù)，記下標(biāo)定結(jié)果。其中步驟3中圖像預(yù)處理，具體按照以下步驟實(shí)施首先將采集的輸電線路RGB圖像按下式轉(zhuǎn)換成灰度圖像Y = O. 299R+0. 587G+0. 114B,上式中，Y為亮度，即RGB圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像后對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值；R、G、B分別表示紅色分量值、綠色分量值和藍(lán)色分量值；其次對(duì)灰度圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，采用直方圖均衡化對(duì)通過(guò)灰度化處理得到的圖像進(jìn)行處理；最后采用中值濾波法對(duì)圖像進(jìn)行濾波。其中步驟4中的模板匹配，具體按照以下步驟實(shí)施1)以未覆冰圖像作為參考圖像，從參考圖像中選取含絕緣子生成模板，使用 Canny濾波器處理模板和搜索圖像，并計(jì)算出邊緣上點(diǎn)的方向向量；2)構(gòu)建模板和搜索圖像的圖像金字塔，使用2 均值濾波器平滑；3)使用圖像金字塔分層搜索，首先在圖像金字塔最頂層遍歷搜索進(jìn)行相似性度量匹配，并返回潛在匹配點(diǎn)、匹配分值及其變換參數(shù)，將模板進(jìn)行相應(yīng)的變換；然后按照這些潛在匹配點(diǎn)匹配分值的大小依次跟蹤到圖像金字塔下一層潛在匹配點(diǎn)位置，在潛在匹配點(diǎn) 5*5鄰域?qū)⒆儞Q后的模板與搜索圖像進(jìn)行匹配，并返回潛在匹配點(diǎn)及其變換；重復(fù)此過(guò)程直至圖像金字塔最底層匹配結(jié)束；4)使用最小二乘法調(diào)整匹配參數(shù)，使其達(dá)到亞像素精度。其中步驟5中圖像分割，具體按照以下步驟實(shí)施按紋理特征值先算出一幅紋理圖像，其中每個(gè)像素的灰度級(jí)反映了該像素所在的局部區(qū)域的某些紋理特性，按灰度級(jí)區(qū)分各物體，采用閾值分割進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)導(dǎo)/地線的分割迭代式閾值選擇算法，具體按照以下步驟實(shí)施1)求出圖像的最大灰度值和最小灰度值，分別記為Zmax和Zmin，令初始閾值t = (Zmax+Zmin) /2 ；2)根據(jù)閾值t將圖像分割為前景和背景，分別求出兩者的平均灰度值&和\ ；3)求出新閾值 t0 = (Z0+Zb)/2 ；4)若、不等于t，則把、的值賦給t，轉(zhuǎn)到步驟2)，循環(huán)迭代計(jì)算；直到t等于、，則迭代結(jié)束，所得t即為預(yù)先假定的最佳閾值T。其中步驟6中通過(guò)計(jì)算步驟5中分割出的絕緣子的邊界距離判斷是否覆冰，具體按照以下步驟實(shí)施首先需要以無(wú)覆冰時(shí)的絕緣子像素作為參考，對(duì)原始的輸電線路圖像進(jìn)行預(yù)處理、圖像分割，然后計(jì)算圖像中絕緣子的邊界距離，并存儲(chǔ)起來(lái)，作為后續(xù)識(shí)別處理過(guò)程進(jìn)行比較的依據(jù)；然后不斷讀取采集的現(xiàn)場(chǎng)圖像，在進(jìn)行預(yù)處理和圖像分割之后，計(jì)算其邊界距離， 并與已經(jīng)存儲(chǔ)的無(wú)覆冰時(shí)的初始值進(jìn)行比較，當(dāng)輸電線路圖像中的絕緣子邊界距離大于初始值時(shí)，證明絕緣子有覆冰。本發(fā)明的有益效果是，通過(guò)對(duì)攝像機(jī)在線采集的輸電線路絕緣子的圖像進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路覆冰的自動(dòng)識(shí)別。這種方法直接利用絕緣子的覆冰圖像求其覆冰厚度， 原理簡(jiǎn)單，操作方便，準(zhǔn)確性和可靠性較高，彌補(bǔ)以往方法的種種不足，為輸電線路的安全檢測(cè)提供一種新的手段，并可節(jié)省大量的人力資源成本，提高在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的利用效率，對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著非常重要現(xiàn)實(shí)的意義。與現(xiàn)有的覆冰厚度測(cè)量方法相比，本發(fā)明原理簡(jiǎn)單、便于操作，利用安裝在輸電線路鐵塔上的攝像裝置，將覆冰情況拍攝為圖像數(shù)據(jù)，并傳送至遠(yuǎn)方，方便運(yùn)行人員了解線路覆冰狀況，這種方式大大降低了防凍融冰成本，減輕了覆冰觀測(cè)哨所工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度； 另外，本發(fā)明不需要建立復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)圖像處理技術(shù)直觀定量地計(jì)算出輸電線路的覆冰厚度，推動(dòng)輸電線路覆冰在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的安全監(jiān)控，從而具有重大的社會(huì)意義。


圖1是本發(fā)明中用于攝像機(jī)標(biāo)定的標(biāo)定板；圖2是本發(fā)明中輸電線路絕緣子覆冰前的圖像；圖3是本發(fā)明中輸電線路絕緣子覆冰后的圖像；圖4是本發(fā)明中輸電線路絕緣子覆冰前的灰度圖像輪廓提取結(jié)果圖；圖5是本發(fā)明中輸電線路絕緣子覆冰后的灰度圖像輪廓提取結(jié)果圖；圖6是本發(fā)明方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法，如圖6所示，具體按照以下步驟實(shí)施步驟1 通過(guò)安裝在桿塔上的攝像機(jī)采集輸電線路的圖像信號(hào)，經(jīng)過(guò)無(wú)線通訊方式實(shí)時(shí)傳送至監(jiān)控中心；監(jiān)控中心獲取所監(jiān)測(cè)的輸電線路現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字圖像，得到監(jiān)測(cè)目標(biāo)圖像；步驟2 為了校正攝像機(jī)鏡頭畸變及得到世界坐標(biāo)系中絕緣子米制單位的覆冰厚度，本發(fā)明利用特征容易被提取的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定板對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，計(jì)算出攝像機(jī)的內(nèi)部和外部參數(shù)，確定世界坐標(biāo)系中已知點(diǎn)與它們?cè)谕队皥D像中的對(duì)應(yīng)關(guān)系；標(biāo)定板的特點(diǎn)是 標(biāo)定板周圍的黑色矩形框使得標(biāo)定對(duì)象的中心容易被提??；矩形邊界框角落的方向標(biāo)記使得標(biāo)定板的方向唯一。本發(fā)明采用圖1所示的標(biāo)定板對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，具體標(biāo)定過(guò)程如下(1)選擇合適的標(biāo)定板之后，要?jiǎng)?chuàng)立描述標(biāo)定板行數(shù)和列數(shù)、外框的幾何尺寸、方向標(biāo)記、圓形標(biāo)志的半徑等信息的描述文件；
(2)利用標(biāo)定板的特點(diǎn)，通過(guò)閾值分割、邊緣提取、最小化代數(shù)誤差擬合等算法提取目標(biāo)板的特征，確定容易確定的標(biāo)志點(diǎn)及其與圖像中投影的關(guān)系；(3)確定標(biāo)定板上圓形標(biāo)志點(diǎn)的二維坐標(biāo)，并得到攝像機(jī)外部參數(shù)的初始值；(4)通過(guò)提供的初始參數(shù)為初始值，進(jìn)行優(yōu)化搜索獲得誤差最小化的過(guò)程，計(jì)算出攝像機(jī)的所有參數(shù)，記下標(biāo)定結(jié)果。步驟3 對(duì)步驟1得到的如圖2、圖3所示的監(jiān)視目標(biāo)圖像進(jìn)行預(yù)處理以改善圖像質(zhì)量，為方便后續(xù)圖像分割和邊緣提取。具體按照以下步驟實(shí)施首先對(duì)輸入的圖像進(jìn)行灰度化，由于輸電線路現(xiàn)場(chǎng)采集到的圖像大多是彩色圖像，如果直接對(duì)采集來(lái)的圖像進(jìn)行操作，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求會(huì)很高，這樣不僅增加硬件設(shè)備的投入成本，而且如果直接對(duì)RGB圖像進(jìn)行處理就需要分別對(duì)RGB圖像的R分量、G分量和 B分量進(jìn)行處理，還會(huì)大大增加圖像處理的復(fù)雜程度并降低圖像處理的速度。因而本發(fā)明先將采集來(lái)的輸電線路RGB圖像按下式轉(zhuǎn)換成灰度圖像。Y = O. 299R+0. 587G+0. 114B, (1)上式中，Y為亮度，即RGB圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像后對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值；R、G、B分別表示紅色分量值、綠色分量值和藍(lán)色分量值。其次對(duì)灰度圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，實(shí)際中攝像機(jī)采集到的輸電線路圖像會(huì)由于光線等原因而使整幅圖像的對(duì)比度比較低，也就是說(shuō)，整幅圖像的灰度分布比較集中，從而不利于從圖像中提取到目標(biāo)物體絕緣子的邊界輪廓。本發(fā)明采用直方圖均衡化對(duì)通過(guò)灰度化處理得到的圖像進(jìn)行處理。直方圖均衡化是一種使輸出圖像直方圖近似服從均勻分布的變換算法，其計(jì)算步驟如下(1)列出原始圖像的灰度級(jí)f」，j = 0，1，…，k，…，L-1，其中L是灰度級(jí)的個(gè)數(shù)；(2)統(tǒng)計(jì)各灰度級(jí)的像素?cái)?shù)目nj，j = 0，1，…，k，-,L-I ；(3)計(jì)算原始圖像直方圖各灰度級(jí)的頻度pf (fj) =nj/n,j = 0，1，…，k，…L_l， 其中η為原始圖像總的像素?cái)?shù)目；(4)計(jì)算累計(jì)分布函數(shù)
權(quán)利要求
1.基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法，其特征在于，具體按照以下步驟實(shí)施步驟1 通過(guò)安裝在桿塔上的攝像機(jī)采集輸電線路的圖像信號(hào)，將采集到的圖像信號(hào)無(wú)線傳送至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心從圖像信號(hào)中獲取所監(jiān)測(cè)的輸電線路現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字圖像，得到監(jiān)測(cè)目標(biāo)圖像；步驟2 對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，確定世界坐標(biāo)系中已知點(diǎn)與它們?cè)谕队皥D像中的對(duì)應(yīng)關(guān)系；步驟3 對(duì)步驟1得到的監(jiān)測(cè)目標(biāo)圖像進(jìn)行預(yù)處理；步驟4 對(duì)步驟3得到的預(yù)處理后的圖像進(jìn)行模板匹配；步驟5 在步驟4確定的算法處理區(qū)域中利用圖像分割將絕緣子分割出來(lái)；步驟6 通過(guò)計(jì)算步驟5中分割出的絕緣子的邊界距離判斷是否覆冰；步驟7 計(jì)算步驟6提取得到的絕緣子覆冰前后邊界之間的距離，這兩個(gè)距離之差便是絕緣子的覆冰厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟2中的攝像機(jī)標(biāo)定，具體按照以下步驟實(shí)施1)選擇合適的標(biāo)定板，創(chuàng)立描述標(biāo)定板行數(shù)和列數(shù)、外框的幾何尺寸、方向標(biāo)記、圓形標(biāo)志的半徑的描述文件；2)利用標(biāo)定板的特點(diǎn)，通過(guò)閾值分割、邊緣提取、最小化代數(shù)誤差擬合算法提取目標(biāo)板的特征，確定容易確定的標(biāo)志點(diǎn)及其與圖像中投影的關(guān)系；3)確定標(biāo)定板上圓形標(biāo)志點(diǎn)的二維坐標(biāo)，并得到攝像機(jī)外部參數(shù)的初始值；4)通過(guò)提供的初始參數(shù)為初始值，進(jìn)行優(yōu)化搜索獲得誤差最小化的過(guò)程，計(jì)算出攝像機(jī)的所有參數(shù)，記下標(biāo)定結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟3中圖像預(yù)處理，具體按照以下步驟實(shí)施首先將采集的輸電線路RGB圖像按下式轉(zhuǎn)換成灰度圖像Y = O. 299R+0. 587G+0. 114B,上式中，Y為亮度，即RGB圖像轉(zhuǎn)換成灰度圖像后對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值；R、G、B分別表示紅色分量值、綠色分量值和藍(lán)色分量值；其次對(duì)灰度圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)，采用直方圖均衡化對(duì)通過(guò)灰度化處理得到的圖像進(jìn)行處理；最后采用中值濾波法對(duì)圖像進(jìn)行濾波。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟4中的模板匹配，具體按照以下步驟實(shí)施1)以未覆冰圖像作為參考圖像，從參考圖像中選取含絕緣子生成模板，使用Carmy濾波器處理模板和搜索圖像，并計(jì)算出邊緣上點(diǎn)的方向向量；2)構(gòu)建模板和搜索圖像的圖像金字塔，使用2 均值濾波器平滑；3)使用圖像金字塔分層搜索，首先在圖像金字塔最頂層遍歷搜索進(jìn)行相似性度量匹配，并返回潛在匹配點(diǎn)、匹配分值及其變換參數(shù)，將模板進(jìn)行相應(yīng)的變換；然后按照這些潛在匹配點(diǎn)匹配分值的大小依次跟蹤到圖像金字塔下一層潛在匹配點(diǎn)位置，在潛在匹配點(diǎn)5*5鄰域?qū)⒆儞Q后的模板與搜索圖像進(jìn)行匹配，并返回潛在匹配點(diǎn)及其變換；重復(fù)此過(guò)程直至圖像金字塔最底層匹配結(jié)束；4)使用最小二乘法調(diào)整匹配參數(shù)，使其達(dá)到亞像素精度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟5中圖像分割，具體按照以下步驟實(shí)施按紋理特征值先算出一幅紋理圖像，其中每個(gè)像素的灰度級(jí)反映了該像素所在的局部區(qū)域的某些紋理特性，按灰度級(jí)區(qū)分各物體，采用閾值分割進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)導(dǎo)/地線的分割迭代式閾值選擇算法，具體按照以下步驟實(shí)施1)求出圖像的最大灰度值和最小灰度值，分別記為Zmax和Zmin，令初始閾值t= (Zmax+Zmin) /2 ；2)根據(jù)閾值t將圖像分割為前景和背景，分別求出兩者的平均灰度值&和&；3)求出新閾值tQ= (Z0+Zb)/2 ；4)若、不等于t，則把、的值賦給t，轉(zhuǎn)到步驟2)，循環(huán)迭代計(jì)算；直到t等于、，則迭代結(jié)束，所得t即為預(yù)先假定的最佳閾值T。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法，其特征在于，所述的步驟6中通過(guò)計(jì)算步驟5中分割出的絕緣子的邊界距離判斷是否覆冰，具體按照以下步驟實(shí)施首先需要以無(wú)覆冰時(shí)的絕緣子像素作為參考，對(duì)原始的輸電線路圖像進(jìn)行預(yù)處理、圖像分割，然后計(jì)算圖像中絕緣子的邊界距離，并存儲(chǔ)起來(lái)，作為后續(xù)識(shí)別處理過(guò)程進(jìn)行比較的依據(jù)；然后不斷讀取采集的現(xiàn)場(chǎng)圖像，在進(jìn)行預(yù)處理和圖像分割之后，計(jì)算其邊界距離，并與已經(jīng)存儲(chǔ)的無(wú)覆冰時(shí)的初始值進(jìn)行比較，當(dāng)輸電線路圖像中的絕緣子邊界距離大于初始值時(shí)，證明絕緣子有覆冰。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)的基于視頻差異分析的輸電線路絕緣子覆冰厚度測(cè)量方法，通過(guò)視頻監(jiān)控裝置拍攝現(xiàn)場(chǎng)圖像，利用圖像處理技術(shù)包括攝像機(jī)標(biāo)定、圖像灰度化、圖像增強(qiáng)、圖像分割等，自動(dòng)獲取輸電線覆冰前后的邊界，進(jìn)而定量地計(jì)算絕緣子覆冰厚度。當(dāng)輸電線路絕緣子覆冰厚度超出規(guī)定的安全范圍時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警，提示相關(guān)部門及時(shí)采取除冰措施。本發(fā)明方法直接利用絕緣子的覆冰圖像求其覆冰厚度，原理簡(jiǎn)單，操作方便，準(zhǔn)確性和可靠性較高，彌補(bǔ)以往方法的種種不足，為輸電線路的安全檢測(cè)提供一種新的手段，并可節(jié)省大量的人力資源成本，提高在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的利用效率，對(duì)保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著非常重要現(xiàn)實(shí)的意義。
文檔編號(hào)G06T7/00GK102346015SQ20111017350
公開(kāi)日2012年2月8日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月24日
發(fā)明者馮玲, 李文靜, 王春來(lái), 陶保震, 黃新波 申請(qǐng)人:西安工程大學(xué)