CN103093192A - 高压输电线舞动的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压输电线舞动的识别方法，利用安装在高压输电线上的联网摄像机将实时的高压输电线视频传输到带有核心数字图像处理算法的服务器，通过服务器的核心数字图像处理算法识别高压输电线舞动，核心数字图像处理算法的步骤是：①背景提取：利用“逐帧差”法建立初始背景；②背景更新：用背景边缘来标识背景信息，再使用基于Canny边缘检测的算法进行背景更新；③高压输电线目标提取：采用基于背景差法的算法提取高压输电线目标；④高压输电线舞动识别：跟踪高压输电线上的固定点的摇摆轨迹来确定它是否摇摆过度，是否形成长时间的舞动。本发明将单一的高压输电线舞后治理改为预防为主、防治结合的新方式，可以有效的预防高压输电线损坏。

Description

高压输电线舞动的识别方法

技术领域

本发明属于远程数字视频监控和图像识别技术领域，特别是一种基于远程视频监控与图像识别技术的高压输电线舞动的识别计算方法。 

背景技术

随着计算机视觉技术在智能监控中的应用，基于视频分析的异常分析识别的研究不仅能够忽略大量监控系统中无用的信息，能够高效地完成各种监控任务，而且节省了大量的人力和物力，所以对视频中物体的异常检测和分析识别成为智能视频监控的领域中日益受到重视的一个研究方向。其中如何对监控得到的视频信息进行运动目标的行为检测和视频分析已经成为当前研究的难点和重点。同时高速宽带网络以及嵌入式的系统的发展使计算机视觉技术在高压输电线安全方面的监测方面有很大的应用前景。 

一、计算机视觉技术 

异常是在数据集中时与众不同的数据，从而使人怀疑这些数据并非由随机误差引起的，而是产生于完全不同的机制。本文所采用的方法是建立在运动目标的跟踪和检测的基础上的，进而对高压输电线的摇摆轨迹进行追踪和分析，能够对一些异 常摆动进行识别并发出警告消息。 

这种方法在运动目标的信息(如轮廓、颜色等)很容易捕获时，可以取得比较理想的效果。对于监控高压输电线的舞动状况，因为不存在高压输电线的遮挡等问题，所以此算法和系统适用于监控高压输电线。 

针对于摄像头固定在高压输电架上的视频监控系统，对运动目标的运动轨迹进行分析，对频繁、大幅度的高压输电线舞动现象进行识别、报警。 

二、自动报警及GPS(全球定位)技术 

利用在摄像机端嵌入GPS芯片，通过网络可以及时将高压输电线的图像和位置信息传送到后台服务器端处理，从而可以及时发现状况并且及时做出反应和应对措施。 

三、高压感应取电技术 

高压感应取电装置是一种利用高压输电线路周围感应的电磁能量获取电能的新型感应取电装置。该装置将输电导线周围的电磁能量转化为电能，为安装在附近的电气设备提供稳定的电源。能保证负载设备的长期稳定供电，适合作为高压输电导线上在线检测、监控、巡检、防盗等电气设备的电源供给装置。 

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种高压输电线舞动的识别方法，本发明的高压输电线舞动的识别方法能够检测出高压输电线的摇摆轨迹，能够及时跟踪高压输电线的摇摆状况， 对过度摇摆甚至出现“风舞”情况能够及时做出报警，从而避免出现高压输电线事故。 

本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是： 

一种高压输电线舞动的识别方法，利用安装在高压输电线上的联网摄像机将实时的高压输电线视频传输到带有核心数字图像处理算法的服务器，通过服务器的核心数字图像处理算法识别高压输电线舞动，其中的核心数字图像处理算法的步骤如下： 

①背景提取：利用“逐帧差”法建立初始背景； 

②背景更新：用背景边缘来标识背景信息，再使用基于Canny边缘检测的算法进行背景更新； 

③高压输电线目标提取：采用基于背景差法的算法提取高压输电线目标； 

④高压输电线舞动识别：跟踪高压输电线上的固定点的摇摆轨迹来确定它是否摇摆过度，是否形成长时间的舞动。 

本发明为了解决其技术问题所采用的进一步技术方案是： 

进一步地说，所述核心数字图像处理算法的步骤①背景提取的具体方法是：背景初始化为第一帧，初始背景像素灰度为输入图像灰度，先用“逐帧差”法(实际也可以使用每3帧来进行一次出理)，当帧差小于一定的阈值且将背景掩膜初始值设置为“0”，符合要求时则使背景的掩膜值设置为“1”，同时在掩膜值为“1”的点处用当前帧的灰度图中像素点的灰度值填补背景图像，最后统计掩膜中“0”的个数，通过与阈值相比，达到要求就得到初始背景。 

进一步地说，所述核心数字图像处理算法的步骤②背景更新的具体方法是：背景边缘图像的更新可通过M帧边缘图像的迭加来实现： 

b₀(x,y)=∑g_i(x,y) 

式中，g_i(x,y)为第i帧路况边缘图像， 

按上式得到迭加图像后，将高压输电线边缘去掉，再使用基于Canny边缘检测的算法：抓取一帧后，对当前帧灰度图像进行Canny边缘检测，当前帧图像与背景图像相减，对差值图像进行Canny边缘检测，图像相与运算并对相与图像遍历求出像素点数，如果小于一定的像素点阈值则背景更新，反之则继续循环下去直至满足条件为止，记当前帧灰度图为PImgGray，差值图像为DImg，设                                                   $Y={\mathrm{PImgGray}}_{\mathrm{Canny}}\⊕{\mathrm{DImg}}_{\mathrm{Canny}},$ 更新公式G如下： 

$G=\left\{\begin{array}{c}1,Y<\mathrm{Th}3\\ 0,Y\&GreaterEqual;\mathrm{Th}3\end{array}\right.$

其中Th3为阈值，1表示更新，0表示不更新。 

进一步地说，所述核心数字图像处理算法的步骤③高压输电线目标提取的具体方法是：对本帧图像所对应的二值图像进行区域增长，得到本帧中所有目标的边界值，并判断其是否为首帧，如果是则用区域增长后的边界值初始化其位置信息，初始化其KALMAN滤波器，反之则对所有目标进行KALMAN预测；再次判断是否为首帧，如果是则清除首帧标志，反之则根据当 前帧与前一帧的重叠区域，对所有目标更新目标位置，作为下一帧KALMAN预测的输入；最后对当前帧所有目标画框。 

进一步地说，所述核心数字图像处理算法的步骤④高压输电线舞动识别的具体方法为：通过记录高压输电线中心点的轨迹来画出相应的轨迹图，如果点的轨迹超过一定的幅度而且保持了一段时间，则判定高压输电线出现舞动现象。 

进一步地说，所述联网摄像机内嵌GPS芯片并通过无线网络将实时的高压输电线视频传输到带有核心数字图像处理算法的服务器。 

进一步地说，采用高压感应取电装置为所述联网摄像机提供电源。 

本发明的有益效果是：本发明在利用固定的高分辨率的联网摄像机将实时的高压输电线视频传到带有核心数字图像处理算法的服务器上，从而可以自动识别高压输电线的摇摆行为，预防高压输电线过度的摇摆发生损坏，可以有效防止由于舞动造成的跳闸、导线电弧烧伤、金具损坏、导线断股、断线等后果，在电网安全智能监控领域有重大裨益，将单一的高压输电线舞后治理改为预防为主、防治结合的新方式，可以有效的预防高压输电线损坏，特别是在一些高原和恶劣环境地区对于维护电网安全和人民财产安全有着很多有益效果。 

附图说明

图1为本发明原理框图； 

图2为本发明中单独对高压输电线摆动的情况进行跟踪 示意图，其中黑点为相应的中心点； 

图3为本发明中高压输电线摇摆示意图，其中中间线为静止高压输电线； 

图4为本发明核心数字图像处理算法流程图。 

具体实施方式

实施例：一种高压输电线舞动的识别方法，利用安装在高压输电线上的联网摄像机将实时的高压输电线视频传输到带有核心数字图像处理算法的服务器，通过服务器的核心数字图像处理算法识别高压输电线舞动，其中，所述联网摄像机内嵌GPS芯片并通过无线网络将实时的高压输电线视频传输到带有核心数字图像处理算法的服务器，采用高压感应取电装置为所述联网摄像机提供电源。 

其中的核心数字图像处理算法的步骤如下： 

1、背景提取 

背景建模方法是基于运动区域的自适应背景模型，主要思路介绍如下：背景初始化为第一帧，初始背景像素灰度为输入图像灰度。先用“逐帧差”法，实际也可以使用每3帧来进行一次出理，当帧差小于一定的阈值且将背景掩膜初始值设置为“0”，符合要求时则使背景的掩膜值，设置为“1”，同时在掩膜值为“1”的点处用当前帧的灰度图中像素点的灰度值填补背景图像，最后统计掩膜中“0”的个数，通过与阈值相比，达到要求就得到初始背景。 

2、背景更新 

在光照、天气等变化的情况下虽然背景图像会发生变化，但背景的边缘信息(即所处的位置)总是不变的(无论背景缓慢变化还是剧烈变化)。若用背景边缘来标识背景信息，则可不受光照条件的影响而使处理简单。本发明是基于背景边缘图像的更新可通过M帧边缘图像的迭加来实现： 

b₀(x,y)=∑g_i(x,y) 

式中，g_i(x,y)为第i帧路况边缘图像。 

按上式得到的迭加图像不但将背景边缘迭加，也将运动目标(即高压输电线)迭加，为形成基于背景边缘图像，必须将运动目标的边缘去掉。对背景边缘及高压输电线边缘的分析可见，背景边缘位置在各帧边缘图像中大致相同，迭加后得到增强。而在整个过程中不需要存储历史图像，从而需要的内存空间更少，这也是本发明的创新之处。再使用基于Canny边缘检测的算法：抓取一帧后，按照上面建立掩膜的方法确定初始背景，对当前帧灰度图像进行Canny边缘检测，当前帧图像与背景图像相减，对差值图像进行Canny边缘检测，图像相与运算并对相与图像遍历求出像素点数，如果小于一定的像素点阈值则背景更新，反之则继续循环下去直至满足条件为止。记当前帧灰度图为PImgGray，差值图像为DImg，设     $Y={{\mathrm{PImgGray}}_{\mathrm{Canny}}}^{\&CirclePlus;}{\mathrm{DImg}}_{\mathrm{Canny}},$ 更新公式G见下： 

$G=\left\{\begin{array}{c}1,Y<\mathrm{Th}3\\ 0,Y\&GreaterEqual;\mathrm{Th}3\end{array}\right.$

其中Th3为阈值，1表示更新，0表示不更新。自此背景更新完成了。 

3、目标跟踪及其策略 

目标的提取方法有很多，比如光流法，背景差法，等等。本发明现在用的算法是基于背景差法的。所谓背景差法顾名思义就是用本帧图像去减去背景图像。然后通过选取合适的阈值对差值图像进行二值化。“二值化”之后我们就把目标提取出来了。对于高压输电线，选择几个固定的点(取中心点或者连接点都可以)作为研究对象，跟踪高压输电线上的固定点的摇摆轨迹来确定它是否摇摆过度，是否形成长时间的“风舞”。 

目标跟踪的大致过程如下：建立初始背景并且自适应背景更新后，对本帧图像所对应的二值图像进行区域增长，得到本帧中所有目标的边界值，并判断其是否为首帧，如果是则初始化所有目标(用区域增长后的边界值初始化其位置信息，初始化其KALMAN滤波器)，反之则对所有目标进行KALMAN预测；再次判断是否为首帧，如果是则清除首帧标志，反之则根据当前帧与前一帧的重叠区域，对所有目标更新目标位置，进行纠正(作为下一帧KALMAN预测的输入)；最后对当前帧所有目标画框，完成目标跟踪的基本功能。 

4、高压输电线“风舞”现象的识别与报警 

步骤3中已经能够提取出摇摆的高压输电线了，通过记录中心点的轨迹来，画出相应的轨迹图，如果点的轨迹超过一定 的幅度而且保持了很长的一段时间，所以判断出“风舞”现象并且发出警报，将位置信息发送至控制中心以提醒维护人员。 

Claims (7)

1.一种高压输电线舞动的识别方法，其特征在于：利用安装在高压输电线上的联网摄像机将实时的高压输电线视频传输到带有核心数字图像处理算法的服务器，通过服务器的核心数字图像处理算法识别高压输电线舞动，其中的核心数字图像处理算法的步骤如下： 

①背景提取：利用“逐帧差”法建立初始背景； 

②背景更新：用背景边缘来标识背景信息，再使用基于Canny边缘检测的算法进行背景更新； 

③高压输电线目标提取：采用基于背景差法的算法提取高压输电线目标； 

④高压输电线舞动识别：跟踪高压输电线上的固定点的摇摆轨迹来确定它是否摇摆过度，是否形成长时间的舞动。 

2.如权利要求1所述的高压输电线舞动的识别方法，其特征在于：所述核心数字图像处理算法的步骤①背景提取的具体方法是：背景初始化为第一帧，初始背景像素灰度为输入图像灰度，先用“逐帧差”法，当帧差小于一定的阈值且将背景掩膜初始值设置为“0”，符合要求时则使背景的掩膜值设置为“1”，同时在掩膜值为“1”的点处用当前帧的灰度图中像素点的灰度值填补背景图像，最后统计掩膜中“0”的个数，通过与阈值相比，达到要求就得到初始背景。 

3.如权利要求1所述的高压输电线舞动的识别方法，其特征在于：所述核心数字图像处理算法的步骤②背景更新的具体 方法是：背景边缘图像的更新可通过M帧边缘图像的迭加来实现： 

b₀(x,y)=∑g_i(x,y) 

式中，g_i(x,y)为第i帧路况边缘图像， 

按上式得到迭加图像后，将高压输电线边缘去掉，再使用基于Canny边缘检测的算法：抓取一帧后，对当前帧灰度图像进行Canny边缘检测，当前帧图像与背景图像相减，对差值图像进行Canny边缘检测，图像相与运算并对相与图像遍历求出像素点数，如果小于一定的像素点阈值则背景更新，反之则继续循环下去直至满足条件为止，记当前帧灰度图为PImgGray，差值图像为DImg，设                                                  更新公式G如下： 

其中Th3为阈值，1表示更新，0表示不更新。 

4.如权利要求1所述的高压输电线舞动的识别方法，其特征在于：所述核心数字图像处理算法的步骤③高压输电线目标提取的具体方法是：对本帧图像所对应的二值图像进行区域增长，得到本帧中所有目标的边界值，并判断其是否为首帧，如果是则用区域增长后的边界值初始化其位置信息，初始化其KALMAN滤波器，反之则对所有目标进行KALMAN预测；再次判断是否为首帧，如果是则清除首帧标志，反之则根据当前帧与 前一帧的重叠区域，对所有目标更新目标位置，作为下一帧KALMAN预测的输入；最后对当前帧所有目标画框。 

5.如权利要求1所述的高压输电线舞动的识别方法，其特征在于：所述核心数字图像处理算法的步骤④高压输电线舞动识别的具体方法为：通过记录高压输电线中心点的轨迹来画出相应的轨迹图，如果点的轨迹超过一定的幅度而且保持了一段时间，则判定高压输电线出现舞动现象。 

6.如权利要求1所述的高压输电线舞动的识别方法，其特征在于：所述联网摄像机内嵌GPS芯片并通过无线网络将实时的高压输电线视频传输到带有核心数字图像处理算法的服务器。 

7.如权利要求1所述的高压输电线舞动的识别方法，其特征在于：采用高压感应取电装置为所述联网摄像机提供电源。 

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