基于视觉之电力系统输电线检测与跟踪

第 1 章 绪论

1.1 计算机视觉的论述
人类主要通过视觉感知世界，人类感知外界信息的 80%来自视觉。视觉不仅接收光信号，而且要实现对视觉信息的获取，传送，处理，存储和理解。机器视觉就是借助成像设备（如照相机，摄像机等），获取二维数字图像信号，利用数字图像信号和计算机技术实现人类视觉信息处理的全过程，而实现理解三维环境的能力，代替人类的视觉器官。早在二十世纪 60 年代，人们就开始了计算机视觉的研究，但是研究的内容都是针对二维图像应用模式识别的方法（如边缘检测、目标识别等）实现图像的理解。直到 1982 年，Marr[1]提出了一个迄今为止都是最系统的视觉理论，其作用是能将二维图像中的物体恢复到三维。Marr 理论将视觉框架分为三个阶段，分别是初级阶段，中级阶段和高级阶段。初级阶段实现的是对原始图像的处理，从图像中提取点、线、顶点、边界等几何要素和特征，这些特征的集合构成了图像的基元图。中级视觉的坐标中心是观测者，该层次实现的是对原始图像和基元图像的推导，获得物体可见表面的深度、朝向和轮廓等信息，该层建立的不是物体真正的三维表示，是二维到三维的过渡过程，可称为 2.5 维图。高级视觉建立的是以物体为中心的坐标系，用原始图像、基元图像和 2.5 维图像推导物体真正的三维表示的过程。基于 Marr 的视觉框架理论，世界各国学者在视觉系统的各个层次上进行大量研究，提出了很多“Shape from X”方法[2-4]构建物体的三维信息，但是都无法达到Marr 理论提出的定量重构三维世界这一目标。因为 Marr 视觉理论有自身的诟病：一是框架的结构是至下而上，中间没有反馈的过程，是纯粹数据驱动的视觉机理；二是视觉处理的早期阶段是被动的接受信号，不具备主动性，更不具备目的性，不符合人类视觉处理信息的过程；三是 Marr 为了确保该框架的通用性，建立了大量的假设前提，使得模型过于理想。
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1.2 课题研究的背景和意义
电力系统是由发电机、升压变电所、输电线路、降压变电所、配电系统和用户五部分所组成，而输电线路是电力网的重要组成部分，它的作用是完成电能的传输。目前，我国输电线路分布的电压等级[6]主要有 6 种即：35、60、110、220、330、500、750kV。在我国，通常高压输电线路为 35~220kV 的线路，超高压输电线路为 330~750kV 的线路，特高压输电线路为 1000kV 及以上电压等级的线路。中国输电线路的增长速度是世界上少见的。1949 年到 1996 年期间共建线路总长为 65 万多千米。60 年代，很多地区已经建立了 220kV 的电力网。1972 年，刘峡水电站建立了第一条电压等级 330kV 超高压输电线路，全长 534 千米。1981 年平顶山至武汉的输电线路的运行标志着我国建设 550 千伏超高压输电线路的能力。输电电压等级在不断提升，先后建成了 750 和 1000kV 的特高压输电线路。而我国电网的规模在 2009 年底时成功超越美国，登上了世界的第一位。我国电网目前覆盖的面积是 850 万平方千米，占国土面积的 88%，为超过 10 亿人口（全国人口的80%）实现供电服务，其中 220 千伏线路长度达到 39.97 万千米。随着高压输电线路不断的建设，线路经过的地理环境会越来越复杂，它们多分布在山谷、沼泽、湖泊等郊外的特殊地理位置。而且输电线路是暴露在自然环境中，经历着自然的狂风暴雨、烈日雷击、雪灾冰冻、地陷等各种考验。这些自然的考验会给输电线带来不同程度上的破坏，侵蚀、老化甚至是断裂。若能及时发现输电线路中的隐患并消除隐患，保证国家电网的安全运行，则可以避免灾害的发生，推动国家经济稳定发展。
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第 2 章 输电线检测算法研究

2.1 引言
输电线是电力系统的重要组成部分，它实现电能传输的功能，而它的运行状态将直接影响到国家经济的稳定和人生命的安全。由于我国国土辽阔，地形复杂，平原少、丘陵及山区较多的特点，因此输电线路巡检这项基础工作变得很困难。目前，输电线路巡检的常用的方法主要有地面目测法、直升飞机巡线法，机器人巡线法，无人机巡线法。输电线具有如下特点[12]：
（1）输电线是特殊金属材质制成，有特定的光谱属性，航空采集的图像中，输电线的亮度比背景的亮度高。
（2）输电线在图像中，近似为直线，通常贯穿整幅图像。
（3）输电线之间近似平行，在图像内不会有交叉，但由于输电线的高低位置，在图像中会表现为电力线的重合。
（4）输电线的宽度在图像中表现为大致1-2个像素。
（5）输电线背景复杂，受森林建筑的干扰，更受道路河流这样类直线景物的干扰。
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2.2 复杂背景下输电线滤波算法
边缘检测是属于低级的视觉处理范畴，它既古老又年轻，古老是因为它早在1959 被提出，年轻是因为它一直是计算机视觉领域的研究热点，不断有新理论新方法的更新。图像边缘表现了物体的外观和轮廓的特点，为图像灰度发生剧烈变化的地方，边缘检测就是定位图像灰度巨变的位置。传统的边缘检测方法是实现增强图像高频分量的过程，因此，微分是处理边缘检测的有效方法，存在一阶微分和二阶微分的边缘检测算子。一阶微分算子,根据图像的梯度判断图像灰度变化的程度，进而定位图像的边缘。经典的一阶微分算子有 Robert[18]算子和对 Robert算子改进而得到的 Sobel[18]算子、Prewitt[18]算子等。一阶微分算子简单，容易，但是存在缺陷，检测出的边缘较实际边缘粗化，需要细化的处理，而且定位精度也不高。二阶边缘算子与图像边缘的方向不相关，利用二阶导数零交叉确定图像的边缘，边缘宽度为一个像素。虽然二阶微分已经拥有无需细化的优点，但是微分运算的弊端在于增加了图像中的噪声。为了减少微分计算产生的噪声的影响，LOG算子被 Marr 和 Hiklreth[19]提出，该方法运用先平滑后求导的思想,平滑是通过高斯函数实现的,对各向同性的拉普拉斯算子进行求导,边缘点就是导数的零交叉点。Canny 算子被作为另一种经典算子被提出，它与 LOG 的本质相同，但是 Canny 算子是从最优滤波的角度出发，确立高斯函数的一阶导数为最优边缘检测算子，而寻找算子输出的局部极值作为图像的最优边缘。航空采集的输电线图像中背景复杂，受高低灌木，地面物体，建筑物等复杂因素影响，提取输电线边缘相当复杂。这些背景噪声的模型并不是由简单的加性高斯白噪声组成。文献[20]在 2010 年采用 Sobel 和 Canny 边缘检测算子检测输电线图像的边缘，验证了传统边缘检测算法运算速度快，但抗噪的性能差。所以，传统的边缘检测算子不能有效地应用于具有复杂背景的输电线线检测中，需要分析近年来更新的边缘检测理论，处理输电线图像的边缘检测。
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第 3 章 输电线线拟合去除干扰和连接方法研究......28
3.1 直线的表示....... 28
3.2 输电线线拟合方法....... 29
3.3 K 均值去除背景干扰方法研究 ...... 36
3.4 基于多特征理论的输电线连接方法......... 39
3.5 本章小结...... 45
第 4 章 输电线跟踪算法研究........46
4.1 视频序列图像跟踪的研究现状..... 46
4.2 输电线跟踪方案的探讨..... 47
4.3 基于卡尔曼滤波的研究..... 48
4.3.1 离散卡尔曼滤波模型的建立..... 48
4.3.2 扩展卡尔曼滤波模型的建立..... 50
4.4 输电线目标的运动模型及感兴趣区的确定......... 52
4.5 实验结果与分析..... 56
4.5.1 算法描述....... 56
4.5.2 实验结果....... 57
4.6 本章小结..... 58

第 4 章 输电线跟踪算法研究

4.1 视频序列图像跟踪的研究现状
二十世纪之后，视频图像序列目标跟踪算法大量的涌现。各类跟踪算法中关键的环节是：观测模型的设计和目标模型的设计，算法的优劣由这两部分决定。现根据跟踪目标的特征和跟踪策略的不同，对视频跟踪算法进行分类总结，如下：
（1）基于检测的跟踪方法：该方法是通过目标的特征直接在序列图像中提取目标。运动检测是目标检测的最基本方法，该方法要求感兴趣的目标与背景要存在较大的相对运动，通常，目标的运动速度要大于背景的运动速度。因此通过运动分析和时空信息，很容易的将目标与背景分离。目前运动检测的方法有：差分法[41]、背景建模法[42]、运动场估计[43]法。该方法的优点在于跟踪鲁棒性，只要能够区分出目标与背景，跟踪就可以进行。而存在的最大的缺点是对整个图像进行运算，计算量大，而且目标与背景的灰度不能变化。
（2）基于模板匹配的方法：该方法首先需要通过图像分割或人为设定包含目标的模板，模板要略大于目标，模板形状一般为矩形或椭圆，也可确定为不规则形状。然后运用相关算法跟踪目标区域在序列图像中的运动，而目标的运动可以是平动、旋转、仿射中的一种或几种。该方法的优点是简单且计算量小。

结论

近年来，我国电力事业迅猛发展，作为电力系统主要部分的输电线路的特点是覆盖面广，线路长，而且它的安全运行对于国家经济的发展有着重要的作用。所以对于输电线路的巡检凸显重要。随着，摄影技术无线通信技术等的发展，直升机巡检和无人机的自动跟踪巡检逐渐登上了输电线巡检的舞台，图像处理技术在基于视觉的输电线的检测与跟踪中得到了应用。作为本文的主要工作是围绕基于视觉的输电线巡检工作展开的，主要进行了输电线检测、拟合、去除干扰、连接和跟踪的研究，并用 MATLAB 语言进行算法的实现仿真，验证算法的性能。本文研究的主要内容有以下几个方面：
（1）输电线检测的研究。输电线边缘检测中本文深入研究了三种复杂背景下的线边缘检测算法，并对优缺点进行了比较，最终采用的是均值比例线检测算子做边缘检测的处理。而输电线线基元的提取工作中，本文分析了经典算法后，针对算法的不足，本文首先对相位编组法进行了改进，使得梯度定位准确，进而降低直线支持区的过度分割的现象。然后，本文实现了相位编组与Hough变换算法的融合，该方法同时具有相位编组与Hough变换的优点，，并且提高了算法的运行速度。
（2）输电线拟合、去除干扰和连接的研究。对于线基元的后期处理，首先实现线基元的直线拟合，本文分析了两种方法，最小二乘和RANSAC的方法，并对两种方法进行了实验对比，RANSAC直线拟合能够排除噪声点的干扰，获得的直线参数准确。然后，在直线参数的基础上，研究了K均值聚类的方法去除线性特征的背景噪声，最后对于检测出的断裂输电线实现线的连接，使得输电线最终呈现得完整。
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参考文献（略）