CN101430195A - 一种利用视频图像处理技术计算输电线路覆冰厚度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用视频图像处理技术计算输电线路覆冰厚度的方法，属于数字视频图像处理及输电线路在线监测技术领域。该方法以传送到监控中心的输电线路视频流中截取的数字图像为研究对象，通过图像灰度化、二维图像分割、滤波、区域标记等方法对图像进行预处理。在预处理过程中，采用一种新的基于模拟退火遗传算法的二维最大类间方差法对图像进行分割，并采用八连通区域标记方法对输电线路图像进行标记。最后通过对各条输电导线覆冰前后图像像素的对比计算，得出一个平均比值，进而计算出其覆冰厚度。当任何一条输电导线覆冰厚度超出规定的安全范围时进行报警，以便及时采取除冰措施，为电力系统安全运行提供保障。

Description

一种利用视频图像处理技术计算输电线路覆冰厚度的方法

技术领域

本发明属于数字视频图像处理及输电线路在线监测技术领域。涉及对输电线路进行在线监测时的视频图像的识别和计算，包括对输电线路视频图像的采集、灰度变换、图像分割、滤波、区域标记、像素计算等一系列图像处理和识别技术，能够对覆冰输电线路视频图像进行自动处理和识别，以及各条输电导线覆冰厚度的计算，并可进行超限报警，是基于远程数字视频图像处理技术的输电线路覆冰厚度识别和计算的一种利用视频图像处理技术计算输电线路覆冰厚度的方法。

背景技术

目前在电力输电线路在线监测系统中，对输电线路覆冰厚度识别和计算的一般方法是：根据输电线路导线覆冰后的重量变化、环境温度、湿度、雨量、风速、风向、气压等电气特征，建立相应的数学模型，分析计算输电导线的覆冰情况并给出除冰预警信号，还有一些监测系统根据测得的电气参数并参考现场视频进行人工的综合判断。这种方法虽然能够基本把握输电线路的覆冰状况，减少事故的发生，但它的设备复杂，需要采集的参数较多，处理过程也比较复杂，而且受天气变化的影响测得的各种参数也不是十分的准确。采用数字视频图像处理与识别技术监测输电线路的覆冰状态，是一种非常直观、简便的输电线路覆冰厚度识别和计算方法。国内外有些学者已经开始这方面的研究，有文献报道：基于DSP数字信号处理器，采用sobel边缘检测和hough变换相结合的方式，对覆冰输电线路图像进行预处理，并根据一定的识别算法得出输电线路的覆冰厚度。但这种方法没有考虑到所监测输电线路中多条输电导线的覆冰情况，具有一定的局限性。

本发明基于远程数字视频图像处理技术，以传送到监控中心的输电线路视频流中截取的数字图像为研究对象，采用一种新的算法区分一幅图像中的多条输电导线，实现对各条输电导线覆冰厚度的自动识别和计算，使之在任何一条的输电导线覆冰厚度超出规定的安全范围时都可进行报警，为保证电力企业生产安全提供了一种新的直观而准确的手段，有着非常重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的是为了准确的识别和计算出输电线路的覆冰厚度，提供了基于远程数字视频图像处理技术的输电线路覆冰厚度的识别和计算的一种利用视频图像处理技术计算输电线路覆冰厚度的方法，其特征在于，该方法以传送到监控中心的输电线路视频流中截取的数字图像为研究对象，对采集到的数字图像信息进行图像处理和识别，采用新的算法进行二维图像分割和区域标记，以消除天气变化对图像对比度的影响和区分一幅图像中的多条输电导线，通过分别计算各条输电导线覆冰的厚度，使系统能够在任何一条输电导线覆冰厚度超出规定的安全范围时报警，为输电线路的安全运行提供保障。

本发明所采用的技术方案是：1)通过摄像头采集输电线路视频信号、经过视频服务器将其通过传输通道以视频流的方式实时传送回监控中心；

2)在监控中心从视频流中截取所监视的输电线路的数字图像，得到监视目标图像；

3)无覆冰时对输电线路图像进行灰度化、二维图像分割、中值滤波和区域标记的图像预处理过程，输入输电线路导线直径参数D，对所监测的输电线路进行像素计算，将处理后的图像存储起来并进行标示；

4)对输电线路图像继续进行与无覆冰时相同的图像处理过程，在进行输电线路的像素计算时，当像素值大于无覆冰时的15％时，认为所监测的输电线路有覆冰，并进行标示，继续进行第5步；否则进行第2步和第4步的过程；

5)对输电线路图像进行按列扫描的方式计算出各条输电导线覆冰前后图像的像素比值和平均比值，并根据得到的平均比值和已知的输电线路导线直径D，计算出各条输电导线的覆冰厚度；

6)当任何一条输电导线的覆冰厚度超出规定的安全范围时进行报警，以便工作人员采取除冰措施；否则重复进行第2、4、5步的过程。

所述监视目标图像包括：原始的无覆冰输电线路图像和覆冰后的输电线路图像。

所述的二维图像分割是采用了基于模拟退火遗传算法的二维最大类间方差法，对覆冰前后的输电线路图像进行二维图像分割，以消除天气变化对图像对比度的影响。

所述中值滤波是为了滤除二维图像分割后的图像存在的毛刺。

所述的区域标记是采用八连通标记方法对覆冰前后的输电线路图像进行区域标记，以区分出同一幅图像中的各条输电导线。

本发明的有益效果是在对输电线路覆冰状况进行在线监测过程中，通过对实时的现场视频图像的处理和识别，不仅可以直观、有效的监视到输电线路的覆冰状况，而且可以准确地分析计算出各条输电导线的覆冰厚度，且设备简单、经济。

附图说明

图1是覆冰输电线路的原始图像。

图2是覆冰输电线路图像进行灰度处理的结果图。

图3是覆冰输电线路图像进行二维图像分割后的结果图。

图4是覆冰输电线路图像滤波后的结果图。

图5是无覆冰的输电线路图像滤波后的结果图。

图6是输电线路覆冰厚度的视频图像识别和计算的程序流程图。

具体实施方式

本发明提供一种利用视频图像处理技术计算输电线路覆冰厚度的方法。该方法是为了准确的识别、计算出输电线路的覆冰厚度，以传送到监控中心的输电线路视频流中截取的数字图像为研究对象，通过对采集到的数字图像进行图像处理和识别，计算出各条输电导线的覆冰厚度，使系统能够在覆冰厚度超出规定的安全范围时报警，为输电线路的安全运行提供保障。下面结合附图对本发明予以进一步说明，并以有覆冰的输电线路图像的处理过程为例，按图6所示输电线路覆冰厚度的视频图像识别和计算的程序流程图进行处理。

一、彩色图像灰度化

图1是截取的覆冰输电线路的原始图像。由于彩色图像的数据量大，为了后期其他特征量的提取方便、快捷，需要对图像进行灰度化处理。灰度图(Grayscale)是只含亮度信息，不含色彩信息的图像，就像我们平时看到亮度由暗到明的黑白照片，变化是连续的。因此，要表示成灰度图，就需要把亮度值进行量化。通常划分成0到255共256个级别，0最暗(全黑)，255最亮(全白)。从彩色图像到灰度图的转换可由下式得到：

Y＝0.299R+0.587G+0.114B

式中R、G、B分别表示红色分量值、绿色分量值、蓝色分量值。

对图1进行灰度化操作，丢弃原始图像的颜色信息，得到灰度图结果如图2所示。由于输电线路所处的环境一般都比较复杂，尤其在大雾和冰雪等天气状况时截取的视频图像的对比度一般都比较低，为了准确的将待识别的输电线路从背景中分离出来，消除天气变化对图像对比度的影响，对图2进行图像分割时，本发明采用了基于模拟退火遗传算法的二维最大类间方差图像分割方法。

二、采用基于模拟退火遗传算法的二维最大类间方差法分割图像

二维最大类间方差算法是基于二维直方图的，它不仅考虑了图像的灰度信息，还考虑了邻域空间的相关信息。因此，二维最大类间方差算法与基于一维直方图的分割算法相比具有更高的分割精度和鲁棒性，适合对比度较低的复杂图像。

设二维矢量(S，T)为阈值，trσB作为目标和背景类间的距离测度函数。

trσB(S，T)＝W₀[(u_0i-u_zi)²+(u_0j-u_zj)²+W₁(u_1i-u_zi)²+(u_1j-u_zj)²]

          ＝[(W₀(S，T)u_zi-u_i(S，T))²+(W₀(S，T)u_zj-u_j(S，T))²]/

            [W₀(S，T)(1-W₀(S，T))]

二维OTSU图像分割法的阈值(S₀，T₀)就取在trσB(S，T)为最大时，即：

trσB(S₀，T₀)＝Max{trσB(S，T)}      0≤S，T<1

为了克服二维最大类间方差法搜索速度慢的缺点，本发明提出了基于模拟退火遗传算法的二维最大类间方差法，该算法不仅能够利用遗传算法快速搜索最优解的能力来提高搜索速度，还能够利用模拟退火算法来改进遗传算法在接收新个体上存在的一些不足，使新个体以一定的条件和概率代替旧个体，减少退化的发生。

假设新旧个体分别为gene(new)和gene(old)，它们的适应度分别记为f(new)和f(old)，则以新个体代替旧个体的概率P为：

$P=\left\{\begin{array}{ccc}1& \mathrm{if}& f\left(\mathrm{new}\right)>f\left(\mathrm{old}\right)\\ \exp \frac{f\left(\mathrm{new}\right)-f\left(\mathrm{old}\right)}{\mathrm{kT}}& \mathrm{if}& f\left(\mathrm{old}\right)\&GreaterEqual;f\left(\mathrm{new}\right)\end{array}\right.$

采用基于模拟退火遗传算法的二维最大类间方差法对覆冰输电线路图像进行分割的结果如图3所示。

三、毛刺处理

由于分割后的图像存在毛刺，故对图3采用中值滤波的方式将其滤除。分析图3发现，待滤除的毛刺形状窄且尖，为了较好的滤除毛刺并保留输电线路的图像信息，需要采用线状的滤波器，本发明中采用的滤波器模板的高度和宽度分别为1和3。覆冰输电线路图像滤波后的结果如图4所示。

上述处理过程结束之后，无覆冰的输电线路图像如图5所示。

四、八连通区域标记

为区分出在同一幅图像中所监测的输电线路中的各条输电导线，需要分别计算每条输电导线覆冰前后的像素比值。本发明采用图像区域标记的方法，对不同的输电导线进行标记，并分别计算出所监测的输电线路中不同输电导线的覆冰厚度，使之在任何一条输电导线的覆冰厚度超出规定的安全范围时都可进行报警。

本发明中采用八连通标记方法，该算法的实现步骤如下：

1.读入原始输电线路图像，存放在缓冲区内，包括原图各点像素值、原图宽度、高度等。

2.监测缓冲区，从左到右，从上到下，依次检测每个像素，如果发现某像素点像素值为0，则依次检测该点的右上、正上、左上及左前点4个点的像素值，根据如下准则进行连通性判断：

1)若该点的左上、正上、右上及左前4个点的像素值都不为识别目标，则把数标加1，且将标号置为1；

2)若遇到某一像素为识别目标，则依次判断该像素的右上、正上、左上及左前点是否为该物体，右上的优先级最高，左前的优先级最低；

3)若右上点为识别目标，则当前点标记右上点的值；

4)若右上点不为识别目标，则判断正上点；

5)同理，若当前点的右上点、正上点都不为识别目标，则用同样的方法依次判断左上点；若左上点也不为识别目标，则再判断左前点；

6)若当前点的右上点、正上点、左上点及左前点都不为识别目标，则当前点的值在原来的标记上加1，并以此标记作为另一识别目标的区别；

7)若当前点的右上点及左前点为不同标记，正上点和左上点不为识别目标，则当前点标记同右上点置相同的值。此时，从头到尾扫描图像，把所有同左前点标记相同的像素值都标记成与右上点同样的值。有多少个像素点转换，则统计右上点像素值(标记值)的数组就加多少。而把统计左前的像素值(标记值)的数组置0。

3.依次逐行扫描至扫描结束。

通过上述的八连通区域标记过程，使输电线路图像中的各条输电导线的像素均有一个唯一的标识符，为后面的不同输电导线的像素计算和覆冰厚度计算打下基础。

五、计算覆冰前后输电线路图像的像素比值

由于输电线路覆冰前后其倾斜角度是不变的，因此可以直接采用按列扫描图像的方式，计算各区域中的输电导线覆冰前后图像的像素比值，而无需利用hough变换来计算输电线路的倾斜角度。根据前述区域标记结果计算各条输电导线覆冰前后图像的像素比值的过程如下：

设测得的一条输电导线覆冰前后图像每列的像素比值分别为n₁，n₂，……，n_n，输电线路整幅图像的宽度为lwidth，则

$n=\frac{n_1+n_2+\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;+n_n}{\mathrm{lwidth}}$

其中n为计算得出的覆冰前后该条输电导线像素的平均比值。

六、计算覆冰厚度

设已知的输电线路导线直径为D，要计算的该条输电导线的覆冰厚度为h，则 $\frac{D}{D+h}=n,$ 进而得出其覆冰厚度：

$h=\frac{(1-n)D}{n}.$

根据八连通区域标记和像素计算的结果，当任何一条输电导线的覆冰厚度h超出规定的安全范围时均可进行报警，以便采取相应的除冰措施，确保输电线路的安全运行。

Claims (3)

1.一种利用视频图像处理技术计算输电线路覆冰厚度的方法，其特征在于，该方法以传送到监控中心的输电线路视频流中截取的数字图像为研究对象，通过对采集到的数字图像进行处理，识别和计算出各条输电导线的覆冰厚度，使系统能够在任何一条输电导线覆冰厚度超出规定的安全范围时报警，为输电线路的安全运行提供保障，具体处理步骤如下：

1)通过摄像头采集输电线路视频信号、经过视频服务器将其通过传输通道以视频流的方式实时传送回监控中心；

2)在监控中心从视频流中截取所监视的输电线路的数字图像；

3)无覆冰时对输电线路图像进行灰度化、二维图像分割、中值滤波和区域标记的图像处理过程，输入输电线路导线直径参数D，对所监测的输电线路进行像素计算，将处理后的图像存储起来并进行标示；

4)对输电线路图像继续进行与无覆冰时相同的图像处理过程，进行输电线路的像素计算时，当像素值大于无覆冰时的15％时，认为所监测的输电线路有覆冰，并进行区域标记，继续进行第5步；否则进行第2步和第4步的过程；

5)对输电线路图像进行按列扫描的方式计算出各条输电导线覆冰前后图像的像素比值和平均比值，并根据得到的平均比值和已知的输电线路导线直径D计算出各条输电导线的覆冰厚度；

6)当任何一条输电导线的覆冰厚度超出规定的安全范围时进行报警，以便工作人员采取除冰措施；否则重复进行第2、4、5步的过程。

2.根据权利要求1所述一种利用视频图像处理技术计算输电线路覆冰厚度的方法，其特征在于，对输电线路图像进行二维图像分割时采用的是基于模拟退火遗传算法的二维最大类间方差法，以便在图像的对比度较低时正确地实现图像的分割处理。

3.根据权利要求1所述一种利用视频图像处理技术计算输电线路覆冰厚度的方法，其特征在于，所述对有覆冰输电线路进行区域标记是采用八连通标记方法，区分出在同一幅图像中所监测的输电线路中的各条输电导线，为不同输电导线的像素计算和覆冰厚度计算打下基础。

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