專利名稱：一種利用視頻圖像處理技術(shù)計(jì)算輸電線路覆冰厚度的方法
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)測技術(shù)領(lǐng)域。涉及對輸 電線路進(jìn)行在線監(jiān)測時(shí)的視頻圖像的識(shí)別和計(jì)算，包括對輸電線路視頻圖像 的采集、灰度變換、圖像分割、濾波、區(qū)域標(biāo)記、像素計(jì)算等一系列圖像處 理和識(shí)別技術(shù)，能夠?qū)Ω脖旊娋€路視頻圖像進(jìn)行自動(dòng)處理和識(shí)別，以及各 條輸電導(dǎo)線覆冰厚度的計(jì)算，并可進(jìn)行超限報(bào)警，是基于遠(yuǎn)程數(shù)字視頻圖像 處理技術(shù)的輸電線路覆冰厚度識(shí)別和計(jì)算的一種利用視頻圖像處理技術(shù)計(jì)算 輸電線路覆冰厚度的方法。
背景技術(shù)：
H前在電力輸電線路在線監(jiān)測系統(tǒng)中，對輸電線路覆冰厚度識(shí)別和計(jì)算
的一般方法是根據(jù)輸電線路導(dǎo)線覆冰后的重量變化、環(huán)境溫度、濕度、雨 量、風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓等電氣特征，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，分析計(jì)算輸電導(dǎo) 線的覆冰情況并給出除冰預(yù)警信號(hào)，還有一些監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)測得的電氣參數(shù) 并參考現(xiàn)場視頻進(jìn)行人工的綜合判斷。這種方法雖然能夠基本把握輸電線路 的覆冰狀況，減少事故的發(fā)生，但它的設(shè)備復(fù)雜，需要采集的參數(shù)較多，處 理過程也比較復(fù)雜，而且受天氣變化的影響測得的各種參數(shù)也不是十分的準(zhǔn) 確。采用數(shù)字視頻圖像處理與識(shí)別技術(shù)監(jiān)測輸電線路的覆冰狀態(tài)，是一種非 常直觀、簡便的輸電線路覆冰厚度識(shí)別和計(jì)算方法。國內(nèi)外有些學(xué)者已經(jīng)開 始這方面的研究，有文獻(xiàn)報(bào)道基于DSP數(shù)字信號(hào)處理器，采用sobel邊緣 檢測和hough變換相結(jié)合的方式，對覆冰輸電線路圖像進(jìn)行預(yù)處理，并根據(jù) 一定的識(shí)別算法得出輸電線路的覆冰厚度。但這種方法沒有考慮到所監(jiān)測輸 電線路中多條輸電導(dǎo)線的覆冰情況，具有一定的局限性。
本發(fā)明基于遠(yuǎn)程數(shù)字視頻圖像處理技術(shù)，以傳送到監(jiān)控中心的輸電線路 視頻流中截取的數(shù)字圖像為研究對象，采用一種新的算法區(qū)分一幅圖像中的 多條輸電導(dǎo)線，實(shí)現(xiàn)對各條輸電導(dǎo)線覆冰厚度的自動(dòng)識(shí)別和計(jì)算，使之在任何一條的輸電導(dǎo)線覆冰厚度超出規(guī)定的安全范圍時(shí)都可進(jìn)行報(bào)警，為保證電 力企業(yè)生產(chǎn)安全提供了一種新的直觀而準(zhǔn)確的手段，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意 義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了準(zhǔn)確的識(shí)別和計(jì)算出輸電線路的覆冰厚度，提供了 基于遠(yuǎn)程數(shù)字視頻圖像處理技術(shù)的輸電線路覆冰厚度的識(shí)別和計(jì)算的一種利 用視頻圖像處理技術(shù)計(jì)算輸電線路覆冰厚度的方法，其特征在于，該方法以 傳送到監(jiān)控中心的輸電線路視頻流中截取的數(shù)字圖像為研究對象，對采集到 的數(shù)字圖像信息進(jìn)行圖像處理和識(shí)別，采用新的算法進(jìn)行二維圖像分割和區(qū) 域標(biāo)記，以消除天氣變化對圖像對比度的影響和區(qū)分一幅圖像中的多條輸電 導(dǎo)線，通過分別計(jì)算各條輸電導(dǎo)線覆冰的厚度，使系統(tǒng)能夠在任何一條輸電 導(dǎo)線覆冰厚度超出規(guī)定的安全范圍時(shí)報(bào)警，為輸電線路的安全運(yùn)行提供保障。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是1)通過攝像頭采集輸電線路視頻信號(hào)、經(jīng) 過視頻服務(wù)器將其通過傳輸通道以視頻流的方式實(shí)時(shí)傳送回監(jiān)控中心；
2) 在監(jiān)控中心從視頻流中截取所監(jiān)視的輸電線路的數(shù)字圖像，得到監(jiān)視 目標(biāo)圖像；
3) 無覆冰時(shí)對輸電線路圖像進(jìn)行灰度化、二維圖像分割、中值濾波和區(qū) 域標(biāo)記的圖像預(yù)處理過程，輸入輸電線路導(dǎo)線直徑參數(shù)D，對所監(jiān)測的輸電線 路進(jìn)行像素計(jì)算，將處理后的圖像存儲(chǔ)起來并進(jìn)行標(biāo)示；
4) 對輸電線路圖像繼續(xù)進(jìn)行與無覆冰時(shí)相同的圖像處理過程，在進(jìn)行輸 電線路的像素計(jì)算時(shí)，當(dāng)像素值大于無覆冰時(shí)的15%時(shí)，認(rèn)為所監(jiān)測的輸電線
路有覆冰，并進(jìn)行標(biāo)示，繼續(xù)進(jìn)行第5步；否則進(jìn)行第2步和第4步的過程；
5) 對輸電線路圖像進(jìn)行按列掃描的方式計(jì)算出各條輸電導(dǎo)線覆冰前后圖
像的像素比值和平均比值，并根據(jù)得到的平均比值和己知的輸電線路導(dǎo)線直
徑D，計(jì)算出各條輸電導(dǎo)線的覆冰厚度；
6) 當(dāng)任何一條輸電導(dǎo)線的覆冰厚度超出規(guī)定的安全范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警，以 便工作人員采取除冰措施；否則重復(fù)進(jìn)行第2、 4、 5步的過程。所述監(jiān)視目標(biāo)圖像包括原始的無覆冰輸電線路圖像和覆冰后的輸電線
路圖像。
所述的二維圖像分割是采用了基于模擬退火遺傳算法的二維最大類間方 差法，對覆冰前后的輸電線路圖像進(jìn)行二維圖像分割，以消除天氣變化對圖 像對比度的影響。
所述中值濾波是為了濾除二維圖像分割后的圖像存在的毛刺。
所述的區(qū)域標(biāo)記是采用八連通標(biāo)記方法對覆冰前后的輸電線路圖像進(jìn)行 區(qū)域標(biāo)記，以區(qū)分出同一幅圖像中的各條輸電導(dǎo)線。
本發(fā)明的有益效果是在對輸電線路覆冰狀況進(jìn)行在線監(jiān)測過程中，通過
對實(shí)時(shí)的現(xiàn)場視頻圖像的處理和識(shí)別，不僅可以直觀、有效的監(jiān)視到輸電線
路的覆冰狀況，而且可以準(zhǔn)確地分析計(jì)算出各條輸電導(dǎo)線的覆冰厚度，且設(shè) 備簡單、經(jīng)濟(jì)。


圖1是覆冰輸電線路的原始圖像。
圖2是覆冰輸電線路圖像進(jìn)行灰度處理的結(jié)果圖。
圖3是覆冰輸電線路圖像進(jìn)行二維圖像分割后的結(jié)果圖。
圖4是覆冰輸電線路圖像濾波后的結(jié)果圖。
圖5是無覆冰的輸電線路圖像濾波后的結(jié)果圖。
圖6是輸電線路覆冰厚度的視頻圖像識(shí)別和計(jì)算的程序流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種利用視頻圖像處理技術(shù)計(jì)算輸電線路覆冰厚度的方法。 該方法是為了準(zhǔn)確的識(shí)別、計(jì)算出輸電線路的覆冰厚度，以傳送到監(jiān)控中心 的輸電線路視頻流中截取的數(shù)字圖像為研究對象，通過對采集到的數(shù)字圖像 進(jìn)行圖像處理和識(shí)別，計(jì)算出各條輸電導(dǎo)線的覆冰厚度，使系統(tǒng)能夠在覆冰 厚度超出規(guī)定的安全范圍時(shí)報(bào)警，為輸電線路的安全運(yùn)行提供保障。下面結(jié) 合附圖對本發(fā)明予以進(jìn)一步說明，并以有覆冰的輸電線路圖像的處理過程為 例，按圖6所示輸電線路覆冰厚度的視頻圖像識(shí)別和計(jì)算的程序流程圖進(jìn)行處理。
一、 彩色圖像灰度化
圖1是截取的覆冰輸電線路的原始圖像。由于彩色圖像的數(shù)據(jù)量大，為 了后期其他特征量的提取方便、快捷，需要對圖像進(jìn)行灰度化處理?；叶葓D (Grayscale)是只含亮度信息，不含色彩信息的圖像，就像我們平時(shí)看到亮 度由暗到明的黑白照片，變化是連續(xù)的。因此，要表示成灰度圖，就需要把 亮度值進(jìn)行量化。通常劃分成0到255共256個(gè)級(jí)別，0最暗(全黑)，255 最亮(全白)。從彩色圖像到灰度圖的轉(zhuǎn)換可由下式得到
風(fēng)299/P+0. 587^0. 式中R、 G、 B分別表示紅色分量值、綠色分量值、藍(lán)色分量值。 對圖1進(jìn)行灰度化操作，丟棄原始圖像的顏色信息，得到灰度圖結(jié)果如 圖2所示。由于輸電線路所處的環(huán)境一般都比較復(fù)雜，尤其在大霧和冰雪等 天氣狀況時(shí)截取的視頻圖像的對比度一般都比較低，為了準(zhǔn)確的將待識(shí)別的 輸電線路從背景中分離出來，消除天氣變化對圖像對比度的影響，對圖2進(jìn) 行圖像分割時(shí)，本發(fā)明采用了基于模擬退火遺傳算法的二維最大類間方差圖 像分割方法。
二、 采用基于模擬退火遺傳算法的二維最大類間方差法分割圖像 二維最大類間方差算法是基于二維直方圖的，它不僅考慮了圖像的灰度信
息，還考慮了鄰域空間的相關(guān)信息。因此，二維最大類間方差算法與基于一維直 方圖的分割算法相比具有更高的分割精度和魯棒性，適合對比度較低的復(fù)雜圖像。
設(shè)二維矢量"，"為閾值，^。^作為目標(biāo)和背景類間的距離測度函數(shù)。 <formula>formula see original document page 7</formula>二維OTSU圖像分割法的閾值(S。， T。)就取在troB(S， T)為最大時(shí)，艮口 fm附o,7;) = M ;{,m^(S,r)} o s s，r < 1為了克服二維最大類間方差法搜索速度慢的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了基于模 擬退火遺傳算法的二維最大類間方差法，該算法不僅能夠利用遺傳算法快速 搜索最優(yōu)解的能力來提高搜索速度，還能夠利用模擬退火算法來改進(jìn)遺傳算 法在接收新個(gè)體上存在的一些不足，使新個(gè)體以一定的條件和概率代替舊個(gè) 體，減少退化的發(fā)生。
假設(shè)新舊個(gè)體分別為gene (new)和gene (old),它們的適應(yīng)度分別記為 f(new)和f(old)，則以新個(gè)體代替舊個(gè)體的概率P為
<formula>formula see original document page 8</formula>
采用基于模擬退火遺傳算法的二維最大類間方差法對覆冰輸電線路圖像 進(jìn)行分割的結(jié)果如圖3所示。
三、 毛刺處理
由于分割后的圖像存在毛刺，故對圖3采用中值濾波的方式將其濾除。 分析圖3發(fā)現(xiàn)，待濾除的毛刺形狀窄且尖，為了較好的濾除毛刺并保留輸電 線路的圖像信息，需要采用線狀的濾波器，本發(fā)明中采用的濾波器模板的高 度和寬度分別為1和3。覆冰輸電線路圖像濾波后的結(jié)果如圖4所示。
上述處理過程結(jié)束之后，無覆冰的輸電線路圖像如圖5所示。
四、 八連通區(qū)域標(biāo)記
為區(qū)分出在同一幅圖像中所監(jiān)測的輸電線路中的各條輸電導(dǎo)線，需要分 別計(jì)算每條輸電導(dǎo)線覆冰前后的像素比值。本發(fā)明采用圖像區(qū)域標(biāo)記的方法， 對不同的輸電導(dǎo)線進(jìn)行標(biāo)記，并分別計(jì)算出所監(jiān)測的輸電線路中不同輸電導(dǎo) 線的覆冰厚度，使之在任何一條輸電導(dǎo)線的覆冰厚度超出規(guī)定的安全范圍時(shí) 都可進(jìn)行報(bào)警。
本發(fā)明中采用八連通標(biāo)記方法，該算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下
1. 讀入原始輸電線路圖像，存放在緩沖區(qū)內(nèi)，包括原圖各點(diǎn)像素值、原 圖寬度、高度等。
2. 監(jiān)測緩沖區(qū)，從左到右，從上到下，依次檢測每個(gè)像素，如果發(fā)現(xiàn)某像素點(diǎn)像素值為0，則依次檢測該點(diǎn)的右上、正上、左上及左前點(diǎn)4個(gè)點(diǎn)的像 素值，根據(jù)如下準(zhǔn)則進(jìn)行連通性判斷
1) 若該點(diǎn)的左上、正上、右上及左前4個(gè)點(diǎn)的像素值都不為識(shí)別目標(biāo)， 則把數(shù)標(biāo)加l，且將標(biāo)號(hào)置為l-,
2) 若遇到某一像素為識(shí)別目標(biāo)，則依次判斷該像素的右上、正上、左上 及左前點(diǎn)是否為該物體，右上的優(yōu)先級(jí)最高，左前的優(yōu)先級(jí)最低；
3) 若右上點(diǎn)為識(shí)別目標(biāo)，則當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記右上點(diǎn)的值；
4) 若右上點(diǎn)不為識(shí)別目標(biāo)，則判斷正上點(diǎn)；
5) 同理，若當(dāng)前點(diǎn)的右上點(diǎn)、正上點(diǎn)都不為識(shí)別目標(biāo)，則用同樣的方法 依次判斷左上點(diǎn)；若左上點(diǎn)也不為識(shí)別目標(biāo)，則再判斷左前點(diǎn)；
6) 若當(dāng)前點(diǎn)的右上點(diǎn)、正上點(diǎn)、左上點(diǎn)及左前點(diǎn)都不為識(shí)別目標(biāo)，則當(dāng) 前點(diǎn)的值在原來的標(biāo)記上加1，并以此標(biāo)記作為另一識(shí)別目標(biāo)的區(qū)別；
7) 若當(dāng)前點(diǎn)的右上點(diǎn)及左前點(diǎn)為不同標(biāo)記，正上點(diǎn)和左上點(diǎn)不為識(shí)別目 標(biāo)，則當(dāng)前點(diǎn)標(biāo)記同右上點(diǎn)置相同的值。此時(shí)，從頭到尾掃描圖像，把所有 同左前點(diǎn)標(biāo)記相同的像素值都標(biāo)記成與右上點(diǎn)同樣的值。有多少個(gè)像素點(diǎn)轉(zhuǎn) 換，則統(tǒng)計(jì)右上點(diǎn)像素值(標(biāo)記值)的數(shù)組就加多少。而把統(tǒng)計(jì)左前的像素 值(標(biāo)記值)的數(shù)組置0。
3.依次逐行掃描至掃描結(jié)束。
通過上述的八連通區(qū)域標(biāo)記過程，使輸電線路圖像中的各條輸電導(dǎo)線的 像素均有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)符，為后面的不同輸電導(dǎo)線的像素計(jì)算和覆冰厚度 計(jì)算打下基礎(chǔ)。
五、計(jì)算覆冰前后輸電線路圖像的像素比值
由于輸電線路覆冰前后其傾斜角度是不變的，因此可以直接采用按列掃 描圖像的方式，計(jì)算各區(qū)域中的輸電導(dǎo)線覆冰前后圖像的像素比值，而無需 利用hough變換來計(jì)算輸電線路的傾斜角度。根據(jù)前述區(qū)域標(biāo)記結(jié)果計(jì)算各 條輸電導(dǎo)線覆冰前后圖像的像素比值的過程如下
設(shè)測得的一條輸電導(dǎo)線覆冰前后圖像每列的像素比值分別為m，ri2，……，
9n ,輸電線路整幅圖像的寬度為lwidth，則
<formula>formula see original document page 10</formula>
其中n為計(jì)算得出的覆冰前后該條輸電導(dǎo)線像素的平均比值。 六、計(jì)算覆冰厚度
設(shè)已知的輸電線路導(dǎo)線直徑為D，要計(jì)算的該條輸電導(dǎo)線的覆冰厚度為h， 則！-n，進(jìn)而得出其覆冰厚度
根據(jù)八連通區(qū)域標(biāo)記和像素計(jì)算的結(jié)果，當(dāng)任何一條輸電導(dǎo)線的覆冰厚度h 超出規(guī)定的安全范圍時(shí)均可進(jìn)行報(bào)警，以便采取相應(yīng)的除冰措施，確保輸電線路 的安全運(yùn)行。
權(quán)利要求
1. 一種利用視頻圖像處理技術(shù)計(jì)算輸電線路覆冰厚度的方法，其特征在于，該方法以傳送到監(jiān)控中心的輸電線路視頻流中截取的數(shù)字圖像為研究對象，通過對采集到的數(shù)字圖像進(jìn)行處理，識(shí)別和計(jì)算出各條輸電導(dǎo)線的覆冰厚度，使系統(tǒng)能夠在任何一條輸電導(dǎo)線覆冰厚度超出規(guī)定的安全范圍時(shí)報(bào)警，為輸電線路的安全運(yùn)行提供保障，具體處理步驟如下1)通過攝像頭采集輸電線路視頻信號(hào)、經(jīng)過視頻服務(wù)器將其通過傳輸通道以視頻流的方式實(shí)時(shí)傳送回監(jiān)控中心；2)在監(jiān)控中心從視頻流中截取所監(jiān)視的輸電線路的數(shù)字圖像；3)無覆冰時(shí)對輸電線路圖像進(jìn)行灰度化、二維圖像分割、中值濾波和區(qū)域標(biāo)記的圖像處理過程，輸入輸電線路導(dǎo)線直徑參數(shù)D，對所監(jiān)測的輸電線路進(jìn)行像素計(jì)算，將處理后的圖像存儲(chǔ)起來并進(jìn)行標(biāo)示；4)對輸電線路圖像繼續(xù)進(jìn)行與無覆冰時(shí)相同的圖像處理過程，進(jìn)行輸電線路的像素計(jì)算時(shí)，當(dāng)像素值大于無覆冰時(shí)的15％時(shí)，認(rèn)為所監(jiān)測的輸電線路有覆冰，并進(jìn)行區(qū)域標(biāo)記，繼續(xù)進(jìn)行第5步；否則進(jìn)行第2步和第4步的過程；5)對輸電線路圖像進(jìn)行按列掃描的方式計(jì)算出各條輸電導(dǎo)線覆冰前后圖像的像素比值和平均比值，并根據(jù)得到的平均比值和已知的輸電線路導(dǎo)線直徑D計(jì)算出各條輸電導(dǎo)線的覆冰厚度；6)當(dāng)任何一條輸電導(dǎo)線的覆冰厚度超出規(guī)定的安全范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警，以便工作人員采取除冰措施；否則重復(fù)進(jìn)行第2、4、5步的過程。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用視頻圖像處理技術(shù)計(jì)算輸電線路覆冰厚 度的方法，其特征在于，對輸電線路圖像進(jìn)行二維圖像分割時(shí)采用的是基于 模擬退火遺傳算法的二維最大類間方差法，以便在圖像的對比度較低時(shí)正確地 實(shí)現(xiàn)圖像的分割處理。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種利用視頻圖像處理技術(shù)計(jì)算輸電線路覆冰厚 度的方法，其特征在于，所述對有覆冰輸電線路進(jìn)行區(qū)域標(biāo)記是采用八連通標(biāo)記方法，區(qū)分出在同一幅圖像中所監(jiān)測的輸電線路中的各條輸電導(dǎo)線，為 不同輸電導(dǎo)線的像素計(jì)算和覆冰厚度計(jì)算打下基礎(chǔ)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用視頻圖像處理技術(shù)計(jì)算輸電線路覆冰厚度的方法，屬于數(shù)字視頻圖像處理及輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。該方法以傳送到監(jiān)控中心的輸電線路視頻流中截取的數(shù)字圖像為研究對象，通過圖像灰度化、二維圖像分割、濾波、區(qū)域標(biāo)記等方法對圖像進(jìn)行預(yù)處理。在預(yù)處理過程中，采用一種新的基于模擬退火遺傳算法的二維最大類間方差法對圖像進(jìn)行分割，并采用八連通區(qū)域標(biāo)記方法對輸電線路圖像進(jìn)行標(biāo)記。最后通過對各條輸電導(dǎo)線覆冰前后圖像像素的對比計(jì)算，得出一個(gè)平均比值，進(jìn)而計(jì)算出其覆冰厚度。當(dāng)任何一條輸電導(dǎo)線覆冰厚度超出規(guī)定的安全范圍時(shí)進(jìn)行報(bào)警，以便及時(shí)采取除冰措施，為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行提供保障。
文檔編號(hào)G06T7/00GK101430195SQ20081024041
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月19日
發(fā)明者孫鳳杰, 鶴 王, 范杰清 申請人:華北電力大學(xué)