本發(fā)明涉及圖像識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種可實(shí)時(shí)、精確識(shí)別高壓斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)軌跡的方法。

技術(shù)背景

在高壓斷路器的機(jī)械特性參數(shù)測(cè)試中，動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)重要的檢測(cè)參數(shù)。研究高壓斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)軌跡的識(shí)別方法對(duì)電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行有著重要意義。

現(xiàn)有方法主要是借助于傳感器的接觸式測(cè)量方法，此類方法需要針對(duì)不同型號(hào)的斷路器選擇合適的光電傳感器進(jìn)行斷路器運(yùn)動(dòng)信息的獲取，這些傳感器被安裝在操作機(jī)構(gòu)或主軸上，不僅可能由于安裝中存在的縫隙影響測(cè)量精度，還可能對(duì)斷路器運(yùn)行造成影響。所以，近年來(lái)出現(xiàn)了少量的基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的非接觸式測(cè)量方法研究，主要是利用高速攝像機(jī)拍攝斷路器動(dòng)作過(guò)程，并還原成若干幀連續(xù)的靜態(tài)圖像，并借助于相關(guān)圖像處理算法，完成圖像的預(yù)處理、目標(biāo)定位與追蹤，進(jìn)而得到動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)軌跡。

目標(biāo)檢測(cè)與追蹤算法是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)測(cè)量方法的核心部分，由于其不存在固定模式，需要針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域、場(chǎng)合而具體分析，而現(xiàn)有應(yīng)用于斷路器動(dòng)觸頭的軌跡進(jìn)行識(shí)別的研究還相對(duì)較少，現(xiàn)有方法還存在一定的不足。其中，塊匹配運(yùn)動(dòng)估計(jì)算法是一種全局匹配法，它是通過(guò)對(duì)整幅圖像上的全部像素值進(jìn)行了一次甚至是多次運(yùn)算后才能獲得一個(gè)理想的匹配結(jié)果，所以有著很高的搜索精確度，但該算法的計(jì)算復(fù)雜度太高，當(dāng)塊和搜索區(qū)域較大時(shí)，速度很慢，不適合于實(shí)時(shí)應(yīng)用。在原始?jí)K匹配算法的基礎(chǔ)上，又有一些改進(jìn)算法，如三步搜索(TSS)、四步搜索(FSS)和菱形搜索(DS)等，但大量實(shí)驗(yàn)表明，這些算法在搜索性能或搜索速度方面還有待改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，基于斷路器運(yùn)動(dòng)特性監(jiān)測(cè)先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)，對(duì)現(xiàn)有目標(biāo)追蹤算法進(jìn)行改進(jìn)，充分挖掘、利用先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)的有效信息，在此基礎(chǔ)上提出一種內(nèi)嵌雙六邊形-菱形快速搜索算法，以實(shí)現(xiàn)高壓斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)時(shí)、精確識(shí)別。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術(shù)方案：其特征在于，所述方法主要包括以下步驟：

步驟1：將紅色方形標(biāo)志物固定于斷路器絕緣拉桿；

步驟2：調(diào)整高速相機(jī)位置，使絕緣拉桿全部行程均在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，啟動(dòng)相機(jī)并獲取絕緣連桿標(biāo)志物的圖像序列；

步驟3：根據(jù)標(biāo)志物的特征對(duì)第一幀有效圖像進(jìn)行分析，確定其為追蹤目標(biāo)模板；

步驟4：根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)確定當(dāng)前幀的最大搜索范圍；

步驟5：根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)確定下一幀目標(biāo)的優(yōu)先搜索順序，按順序?qū)?nèi)嵌雙六邊形各像素點(diǎn)進(jìn)行粗搜索，如圖2所示；

步驟6：在進(jìn)行內(nèi)嵌雙六邊形粗搜索過(guò)程中，任意搜索點(diǎn)滿足判據(jù)則直接對(duì)此方向進(jìn)行菱形精搜索，否則最后選擇各方向匹配度最高的方向進(jìn)行菱形精搜索，確定目標(biāo)位置，同時(shí)更新先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)；

步驟7：重復(fù)步驟5、6，記錄各幀中目標(biāo)在圖像中的位置，生成運(yùn)動(dòng)軌跡。

所述步驟3中第一幀有效圖像是指標(biāo)志物發(fā)生運(yùn)動(dòng)的第一幀圖像，為了完整地監(jiān)測(cè)到拉桿的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在動(dòng)觸頭發(fā)生運(yùn)動(dòng)之前以及停止運(yùn)動(dòng)之后會(huì)有部分冗余的靜止圖片。本方法采用背景差分法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并確定第一幀有效圖像。

先假設(shè)圖像序列中第k幀第x行第y列像素的灰度值為I(x，y，k)，則第k幀圖像表示為：

d(x，y，k)為相鄰兩幀圖像的像素差，反應(yīng)的是坐標(biāo)點(diǎn)的灰度值變化：

d(x，y，k)＝|I(x，y，k)-I(x，y，k-1)|

如果差分結(jié)果判斷為無(wú)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)，繼續(xù)進(jìn)行幀差檢測(cè)，反之則表示連桿發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)對(duì)無(wú)運(yùn)動(dòng)幀數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。其中T₁為剔除微小的物體變動(dòng)的閾值，根據(jù)拍攝圖像大小來(lái)確定，本方法認(rèn)定標(biāo)識(shí)如果偏離原來(lái)位置五個(gè)像素則表示標(biāo)識(shí)發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，程序進(jìn)行下一步，追蹤并記錄運(yùn)動(dòng)標(biāo)識(shí)。

所述步驟4中先驗(yàn)知識(shí)從斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)特性檢測(cè)先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)獲得，先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)中記錄了斷路器正常動(dòng)作和歷次試驗(yàn)的所有運(yùn)動(dòng)過(guò)程數(shù)據(jù)，包括歷次圖像序列中各標(biāo)志物的坐標(biāo)等原始數(shù)據(jù)，以及分合閘時(shí)間、平均分、合閘速度、最大分合、閘速度等分析結(jié)果。

最大搜索范圍采用分段函數(shù)表示，如下式所示：

S_x＝|v_ymax+v_ymar|·Δt

其中，v_xmax、v_ymax分別為先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)中標(biāo)志物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的在x軸和y軸方向的最大速度；v_xmar、v_ymar分別為人為設(shè)定的裕度值；t為當(dāng)前時(shí)刻；Δt為每幀時(shí)間間隔；t_m為x軸 最大瞬時(shí)速度時(shí)刻；t_mar為人為設(shè)定時(shí)間裕度值。

所述步驟5中優(yōu)先搜索順序分為6個(gè)方向，其優(yōu)先順序取決于先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)中下一幀相對(duì)位置的概率大小。為了兼顧快速性和容差性，本方法將先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)中的相對(duì)位置按六個(gè)等分區(qū)間進(jìn)行分組并建立與搜索方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系(即六邊形頂點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系)，搜索方向i滿足如下公式：

其中，θ為先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)中某次測(cè)量記錄的下一幀位置與相對(duì)于當(dāng)前位置連線在直角坐標(biāo)系所成夾角；i為此次測(cè)量記錄位置的對(duì)應(yīng)的搜索方向標(biāo)號(hào)。

所述步驟6中粗搜索結(jié)束判據(jù)基于絕對(duì)誤差和(SAD)，此方法是基于灰度相關(guān)的匹配算法，結(jié)束判據(jù)如下式所示：

其中，S(x，y)代表參考圖像的搜索域中坐標(biāo)位置為的像素點(diǎn)的灰度值，T(u，v)代表模板圖像中坐標(biāo)位置為(u，v)的像素點(diǎn)的灰度值，且模板大小為ulen×vlen，模板在參考圖像S中搜索區(qū)域的大小為xlen×ylen，δ為人為設(shè)定的結(jié)束判據(jù)閥值。

本發(fā)明的有益效果是，1)可以利用先驗(yàn)知識(shí)中的運(yùn)動(dòng)速度數(shù)據(jù)縮小搜索范圍；2)可以利用先驗(yàn)知識(shí)對(duì)下一幀運(yùn)動(dòng)方向預(yù)測(cè)，快速確定粗搜索方向；3)改進(jìn)的內(nèi)嵌雙六邊形-菱形搜索算法可兼顧搜索質(zhì)量和搜索速度。整個(gè)改進(jìn)算法極大地提高了對(duì)標(biāo)志物的搜索速度并保證了目標(biāo)匹配質(zhì)量，使高速相機(jī)圖像的實(shí)時(shí)處理得以滿足。

附圖說(shuō)明

圖1是一種基于先驗(yàn)知識(shí)的高壓斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)時(shí)識(shí)別算法流程示意圖

圖2是搜索范圍函數(shù)圖像與標(biāo)志物運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

圖3是整個(gè)搜索范圍示意圖

圖4是基于先驗(yàn)知識(shí)的內(nèi)嵌雙六邊形-菱形快速搜索算法粗搜索示意圖

圖5是基于先驗(yàn)知識(shí)的內(nèi)嵌雙六邊形-菱形快速搜索算法精搜索示意圖

圖6是合閘操作行程曲線圖

圖7是分閘操作行程曲線圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

步驟1：將紅色圓形標(biāo)志物固定于斷路器絕緣拉桿；

步驟2：調(diào)整高速相機(jī)位置，使絕緣拉桿全部行程均在監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，啟動(dòng)相機(jī)并獲取絕緣連桿標(biāo)志物的圖像序列；

步驟3：采用背景差分法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)確定其為追蹤目標(biāo)模板，并將當(dāng)前幀圖像作 為第一幀有效圖像。

第一幀有效圖像是指標(biāo)志物發(fā)生運(yùn)動(dòng)的第一幀圖像，為了完整地監(jiān)測(cè)到拉桿的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，在動(dòng)觸頭發(fā)生運(yùn)動(dòng)之前以及停止運(yùn)動(dòng)之后會(huì)有部分冗余的靜止圖片。本方法采用背景差分法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并確定第一幀有效圖像。

先假設(shè)圖像序列中第k幀第x行第y列像素的灰度值為I(x，y，k)，則第k幀圖像表示為：

d(x，y，k)為相鄰兩幀圖像的像素差，反應(yīng)的是坐標(biāo)點(diǎn)的灰度值變化：

d(x，y，k)＝|I(x，y，k)-I(x，y，k-1)|

如果差分結(jié)果判斷為無(wú)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)出現(xiàn)，繼續(xù)進(jìn)行幀差檢測(cè)，反之則表示連桿發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)對(duì)無(wú)運(yùn)動(dòng)幀數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。其中T₁為剔除微小的物體變動(dòng)的閾值，根據(jù)拍攝圖像大小來(lái)確定，本方法認(rèn)定標(biāo)識(shí)如果偏離原來(lái)位置五個(gè)像素則表示標(biāo)識(shí)發(fā)生了運(yùn)動(dòng)，程序進(jìn)行下一步，追蹤并記錄運(yùn)動(dòng)標(biāo)識(shí)。

步驟4：根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)確定當(dāng)前幀的最大搜索范圍，最大搜索范圍采用分段函數(shù)表示，如下式所示：

S_x＝|v_ymax+v_ymar|·Δt

其中，v_xmax、v_ymax分別為先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)中標(biāo)志物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的在x軸和y軸方向的最大速度；v_xmar、v_ymar分別為人為設(shè)定的裕度值；t為當(dāng)前時(shí)刻；Δt為每幀時(shí)間間隔；t_m為x軸最大瞬時(shí)速度時(shí)刻；t_mar為人為設(shè)定時(shí)間裕度值。

以y方向?yàn)槔?，搜索范圍函?shù)圖像與標(biāo)志物運(yùn)動(dòng)過(guò)程對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2所示，整個(gè)搜索范圍示意圖如圖3所示，此搜索范圍確定方法可大幅縮小搜索范圍，并且考慮了一定的裕度，有較好的容差性。

步驟5：根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)確定下一幀目標(biāo)的優(yōu)先搜索順序，按順序?qū)?nèi)嵌雙六邊形各像素點(diǎn)進(jìn)行粗搜索，如圖2所示。

優(yōu)先搜索順序分為6個(gè)方向，其優(yōu)先順序取決于先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)中下一幀相對(duì)位置的概率大小。為了兼顧快速性和容差性，本方法將先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)中的相對(duì)位置按六個(gè)等分區(qū)間進(jìn)行分組 并建立與搜索方向的對(duì)應(yīng)關(guān)系(即六邊形頂點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系)，搜索方向i滿足如下公式：

其中，θ為先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)中某次測(cè)量記錄的下一幀位置與相對(duì)于當(dāng)前位置連線在直角坐標(biāo)系所成夾角；i為此次測(cè)量記錄位置的對(duì)應(yīng)的搜索方向標(biāo)號(hào)。

步驟6：在進(jìn)行內(nèi)嵌雙六邊形粗搜索過(guò)程中，任意搜索點(diǎn)滿足判據(jù)則直接對(duì)此方向進(jìn)行內(nèi)嵌雙菱形精搜索，否則最后選擇各方向匹配度最高的方向進(jìn)行內(nèi)嵌雙菱形精搜索，確定目標(biāo)位置，同時(shí)更新先驗(yàn)知識(shí)庫(kù)。

粗搜索結(jié)束判據(jù)基于絕對(duì)誤差和(SAD)，此方法是基于灰度相關(guān)的匹配算法，結(jié)束判據(jù)如下式所示：

其中，S(x，y)代表參考圖像的搜索域中坐標(biāo)位置為的像素點(diǎn)的灰度值，T(u，v)代表模板圖像中坐標(biāo)位置為(u，v)的像素點(diǎn)的灰度值，且模板大小為ulen×vlen，模板在參考圖像S中搜索區(qū)域的大小為xlen×ylen，δ為人為設(shè)定的結(jié)束判據(jù)閥值。

步驟7：重復(fù)步驟5、6，記錄各幀中目標(biāo)在圖像中的位置，生成運(yùn)動(dòng)軌跡。

圖6、圖7為利用本方法對(duì)LW59-252/4000-50的220kV高壓交流六氟化硫斷路器動(dòng)觸頭分合閘過(guò)程進(jìn)行識(shí)別得到的運(yùn)動(dòng)軌跡，本發(fā)明識(shí)別結(jié)果與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了該評(píng)估方法的正確性及有效性。