利用視頻圖像處理技術定位輸電線路間隔棒的方法技術

本發明專利技術公開了屬于數字視頻圖像處理及輸電線路在線監測技術領域的一種利用視頻圖像處理技術的輸電線路間隔棒識別和定位方法。該方法通過對原始圖像規格化、方向場求取、模板匹配等方法對圖像進行目標區域定位和間隔棒中心定位。在目標區域定位中，采用平方梯度算法計算圖像方向場，結合各向一致性信息對圖像進行輸電線路目標區域定位。采用基于直方圖和歸一化相關的快速模板匹配算法進行間隔棒中心定位，算法設定直方圖匹配聯合閾值和歸一化相關匹配最大值作為判定匹配最佳位置的依據，經多次匹配選取匹配結果中出現概率最大的坐標定位間隔棒中心點，為輸電線路狀態監測與故障預警提供參考信息。

Method for locating transmission line spacer using video image processing technology

The invention discloses a transmission line spacer identification and positioning method based on video image processing technology, belonging to the technical field of digital video image processing and transmission line monitoring. The method uses the normalization of the original image, the calculation of the directional field and the template matching to locate the image and locate the center of the spacer bar. In the target location, the square gradient algorithm is used to calculate the image direction field, and the target location of the transmission line is combined with the coherence information. Using fast template histogram and normalized correlation matching algorithm of spacer center location based on histogram matching algorithm to set joint threshold and normalized correlation matching maximum value as the best matching position based on probability point coordinates appear spacer the largest centre after several selected to match the matching results, for the transmission line condition monitoring and fault warning provide reference information.

【技術實現步驟摘要】
利用視頻圖像處理技術定位輸電線路間隔棒的方法
本專利技術屬于數字視頻圖像處理及輸電線路在線監測
特別涉及一種利用視頻圖像處理技術定位輸電線路間隔棒的方法，具體說是對輸電線路進行在線監測時的遠程數字視頻圖像的識別和定位，包括對輸電線路間隔棒圖像的規格化、方向場求取、模板匹配等一系列圖像處理技術，能夠對輸電線路間隔棒圖像進行自動處理和識別，提取輸電線路中間隔棒的位置信息。
技術介紹
輸電線路間隔棒是分裂導線間的支撐設備，使分裂導線的子導線間保持一定的間隔距離。作為輸電線路的重要設備之一，間隔棒是獲取導線弧垂、舞動以及線下生長物等狀態參數的可靠參照物。目前對輸電線路間隔棒位置信息進行提取所采用的技術手段，主要是采用經緯儀或是地面激光雷達技術。而現有監測手段需要工作人員深入實地作業，在作業人員難以到達的坎坷路段難以準確完成監測工作，而且測試時間長。采用圖像處理技術對輸電線路間隔棒進行識別定位是一種非常直觀、簡便的方法，國內外學者已經開始了相關研究。其中，WaiHoLi等人以普通照相機從輸電線路側面拍攝的輸電線路圖像為研究目標，將輸電導線視為直線并采用模板匹配方法對其進行定位，結合圖像中間隔棒和導線間粘連接觸點的特點，采用Gabor濾波實現間隔棒定位，該算法針對小視野、背景簡單的圖像能夠得到理想的定位結果，但在輸電線路弧垂大和背景復雜時效果不佳。李俊芳等人提出以安裝在桿塔上的攝像機拍攝的視頻圖像為研究對象，采用歸一化相關匹配的算法，結合金字塔分層搜索進行間隔棒的匹配定位，該方法采用全像素歸一化匹配計算，算法計算量大、耗時較高，導致匹配算法時效性差。本專利技術基于遠程數字視頻圖像技術，采用安裝在桿塔上的攝像機拍攝輸電線路現場視頻，以傳送到監控中心的輸電線路視頻流中截取的數字圖像為研究對象，采用一種新的算法實現對輸電線路間隔棒的自動識別和定位，該方法通過方向場定位輸電線路目標區域，并將直方圖和歸一化相關匹配算法相結合，用于間隔棒中心定位。該算法能夠更加實時、準確的定位輸電線路中的間隔棒，為保證電力生產安全提供了一種更準確高效的手段，有著非常重要的現實意義。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種利用視頻圖像處理技術定位輸電線路間隔棒的方法，其特征在于，該方法為一種基于遠程數字視頻圖像處理技術的輸電線路間隔棒識別和定位方法；通過架設在桿塔上的攝像頭采集輸電線路視頻信號、經過視頻服務器將其通過傳輸通道以視頻流的方式實時傳送回監控中心，從傳送到監控中心的輸電線路視頻流中截取含有間隔棒的數字圖像，采用基于方向場的快速模板匹配算法進行輸電線路圖像目標區域定位和間隔棒匹配定位，以簡化定位算法的復雜度，提高定位的準確性和實時性，為輸電線路狀態信息的提取提供參考信息；具體步驟如下：1)通過架設在桿塔上的攝像頭采集輸電線路視頻信號，從輸電線路視頻信號中截取含有間隔棒的原始圖像；2)從原始圖像中截取待定位的間隔棒模板圖像；3)對原始圖像依次進行規格化、方向場求取、各向一致性計算和區域標記的圖像處理，獲取區域標記中圖像各向一致性值大于等于最大值96%的區域；4)對標記區域進行按行列掃描的方式進行間隔棒的模板匹配，以第2步截取得到的間隔棒圖像為模板，匹配系數以匹配子圖左上角像素坐標為索引，選取最大匹配系數所在的像素坐標為最佳匹配位置，以最佳匹配位置所在子圖像的中心坐標作為間隔棒的中心定位點；5)重復進行第3、4步，經多次處理、匹配后，選取匹配結果中出現概率最大的坐標為間隔棒定位點。所述規格化是對原始圖像進行常規的像素規格處理，消除圖像灰度差異的影響，是為后續方向場求取進行的預處理過程。所述方向場求取是采用平方梯度算法，采用圖像分塊方法計算圖像子塊的梯度向量和方向角，進而求取圖像整體平方梯度方向場。所述各向一致性計算和區域標記，是對圖像方向場的各向一致性數值進行計算，以圖像各向一致性最大值的96%為閾值，選取各向一致性值大于等于該閾值的區域進行鎖定，并標記為目標區域。所述模板匹配是采用基于直方圖和歸一化相關的快速模板匹配算法，將直方圖聯合閾值匹配和歸一化相關匹配相結合，減少匹配計算的復雜度。直方圖聯合閾值匹配算法是采用歐式距離和相交函數將模板直方圖與匹配子區域的直方圖進行相似度計算，以提高算法的實時性和準確性。本專利技術的有益效果是首先對間隔棒所在的輸電線路圖像部分進行目標區域定位，簡化匹配定位掃描的范圍；然后采用先直方圖聯合閾值匹配，后歸一化相關最佳匹配的方法進行間隔棒中心定位；最后從多次定位結果中選取出現概率最大的坐標為最佳定位點。該方法在保證了定位實時性的同時，降低了定位過程中的誤差率。附圖說明圖1是輸電線路原始圖片。圖2是原始圖像規格化處理后的圖像。圖3是規格化圖像的方向場圖。圖4是輸電線路圖像的各向一致性圖。圖5是輸電線路圖像的區域定位結果圖。圖6是輸電線路圖像的直方圖匹配結果標記圖。圖7是輸電線路圖像的最佳匹配定位結果圖。圖8是輸電線路圖像的匹配定位三維表示圖。圖9是輸電線路圖像匹配定位的流程圖。具體實施方式本專利技術提供一種利用視頻圖像處理技術定位輸電線路間隔棒的方法，該方法為一種新的基于遠程數字視頻圖像處理技術的輸電線路間隔棒識別和定位方法。該方法是為了準確的識別和定位輸電線路的間隔棒，以傳送到監控中心的輸電線路視頻流中截取的數字圖像為研究對象，通過對采集到的數字圖像進行圖像處理和識別，提取輸電線路間隔棒中心位置信息，為監測輸電線路獲取弧垂、舞動等運行狀態參數提供參考信息。下面結合附圖對本專利技術予以進一步說明，并以輸電線路間隔棒圖像的處理過程為例。一、圖像規格化圖1是輸電線路間隔棒的原始圖片（圖1上部固定在各電線上間隔棒，及各電線以外為攝像頭采集的外界環境背景圖像）。為了消除圖像采集過程中由于傳感器（攝像頭）自身的噪聲或是外界環境而造成的圖像灰度上的差異，首先對圖1的原始圖像進行規格化處理，消除圖像灰度上的差異，圖2為規格化后的圖像。規格化并不改變圖像的清晰度，只是將圖像中不同目標的對比度和灰度調整到一個固定的級別上，為后續處理提供一個較為統一的圖像規格。規格化公式為：其中，I(i,j)為原圖像中(i,j)坐標點的灰度值，M和VAR分別為圖像I的灰度均值和方差，M0和VAR0分別為圖像的均值和方差的期望值，G(i,j)為規格化后圖像像素。二、通過方向場進行輸電線路目標區域定位為了簡化定位算法的計算復雜度，采用基于方向場的目標區域定位方法對圖像中輸電導線區域進行定位。方向場是描述圖像紋理方向及其對應位置的二維平面場。利用方向場可以得到圖像的局部結構特性，從而實現目標區域定位。基于梯度向量場的方法可以直接利用局部數據的梯度場，綜合鄰域的統計特征生成穩定的方向場，同時還可以評估生成方向的一致性。平方梯度方向場求取步驟如下所示：1)求取圖像G中像素點(x,y)的梯度向量[Gx(x,y),Gy(x,y)]T；2)將圖像G分成一系列不重疊的大小為w*w的塊(此處選擇w=8)，各分塊的梯度向量為：...

【技術保護點】
一種利用視頻圖像處理技術定位輸電線路間隔棒的方法，該方法為一種基于遠程數字視頻圖像處理技術的輸電線路間隔棒識別和定位方法；通過架設在桿塔上的攝像頭采集輸電線路視頻信號、經過視頻服務器將其通過傳輸通道以視頻流的方式實時傳送回監控中心，從傳送到監控中心的輸電線路視頻流中截取含有間隔棒的數字圖像，采用基于方向場的快速模板匹配算法進行輸電線路圖像目標區域定位和間隔棒匹配定位，以簡化定位算法的復雜度，提高定位的準確性和實時性，為輸電線路狀態信息的提取提供參考信息；其特征在于，具體步驟如下：1)通過架設在桿塔上的攝像頭采集輸電線路視頻信號，從輸電線路視頻信號中截取含有間隔棒的原始圖像；2)從原始圖像中截取待定位的間隔棒模板圖像；3)對原始圖像依次進行規格化、方向場求取、各向一致性計算和區域標記的圖像處理，區域標記是對圖像方向場的各向一致性數值進行計算，以圖像各向一致性最大值的96％為閾值，選取各向一致性值大于等于該閾值的區域進行鎖定，并標記為目標區域；對標記區域進行按行列掃描的方式進行間隔棒的模板匹配，以選取最大匹配系數所在的像素坐標為最佳匹配位置；獲取區域標記中圖像各向一致性大于等于最大值96％的區域；其中，所述規格化是對原始圖像進行常規的像素規格處理，消除圖像灰度差異的影響，是為后續方向場求取進行的預處理過程；4)對步驟3)的區域標記進行按行列掃描的方式進行間隔棒的模板匹配，模板匹配是采用基于直方圖和歸一化相關的快速模板匹配算法，將直方圖聯合閾值匹配和歸一化相關匹配相結合，減少匹配計算的復雜度，采用歐式距離和相交函數將模板直方圖與匹配子區域的直方圖進行相似度計算；再以步驟2從原始圖像中截取得到的間隔棒圖像為模板，匹配系數以匹配子圖的像素坐標為索引，選取最大匹配系數所在的像素坐標為最佳匹配位置，以最佳匹配位置所在子圖像的中心坐標作為間隔棒的中心定位點；5)重復進行步驟3、4，經多次處理、匹配后，選取匹配結果中出現概率最大的坐標為間隔棒定位點。...

【技術特征摘要】
1.一種利用視頻圖像處理技術定位輸電線路間隔棒的方法，該方法為一種基于遠程數字視頻圖像處理技術的輸電線路間隔棒識別和定位方法；通過架設在桿塔上的攝像頭采集輸電線路視頻信號、經過視頻服務器將其通過傳輸通道以視頻流的方式實時傳送回監控中心，從傳送到監控中心的輸電線路視頻流中截取含有間隔棒的數字圖像，采用基于方向場的快速模板匹配算法進行輸電線路圖像目標區域定位和間隔棒匹配定位，以簡化定位算法的復雜度，提高定位的準確性和實時性，為輸電線路狀態信息的提取提供參考信息；其特征在于，具體步驟如下：1)通過架設在桿塔上的攝像頭采集輸電線路視頻信號，從輸電線路視頻信號中截取含有間隔棒的原始圖像；2)從原始圖像中截取待定位的間隔棒模板圖像；3)對原始圖像依次進行規格化、方向場求取、各向一致性計算和區域標記的圖像處理，區域標記是對圖像方向場的各向一致性數值進行計算，以圖像各向一致性最大值的96％為閾值，選取各向一致性值大于等于該閾值的區域進行鎖定，并標記為目標區域；對標記區域進行按行列掃描的方式進行間隔棒的模板匹配，以選取最大匹配系數所在的像素...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫鳳杰，趙孟丹，范杰清，
申請(專利權)人：華北電力大學，
類型：發明
國別省市：北京,11