利用视频图像处理技术定位输电线路间隔棒的方法技术

本发明专利技术公开了属于数字视频图像处理及输电线路在线监测技术领域的一种利用视频图像处理技术的输电线路间隔棒识别和定位方法。该方法通过对原始图像规格化、方向场求取、模板匹配等方法对图像进行目标区域定位和间隔棒中心定位。在目标区域定位中，采用平方梯度算法计算图像方向场，结合各向一致性信息对图像进行输电线路目标区域定位。采用基于直方图和归一化相关的快速模板匹配算法进行间隔棒中心定位，算法设定直方图匹配联合阈值和归一化相关匹配最大值作为判定匹配最佳位置的依据，经多次匹配选取匹配结果中出现概率最大的坐标定位间隔棒中心点，为输电线路状态监测与故障预警提供参考信息。

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.

【技术实现步骤摘要】
利用视频图像处理技术定位输电线路间隔棒的方法
本专利技术属于数字视频图像处理及输电线路在线监测
特别涉及一种利用视频图像处理技术定位输电线路间隔棒的方法，具体说是对输电线路进行在线监测时的远程数字视频图像的识别和定位，包括对输电线路间隔棒图像的规格化、方向场求取、模板匹配等一系列图像处理技术，能够对输电线路间隔棒图像进行自动处理和识别，提取输电线路中间隔棒的位置信息。
技术介绍
输电线路间隔棒是分裂导线间的支撑设备，使分裂导线的子导线间保持一定的间隔距离。作为输电线路的重要设备之一，间隔棒是获取导线弧垂、舞动以及线下生长物等状态参数的可靠参照物。目前对输电线路间隔棒位置信息进行提取所采用的技术手段，主要是采用经纬仪或是地面激光雷达技术。而现有监测手段需要工作人员深入实地作业，在作业人员难以到达的坎坷路段难以准确完成监测工作，而且测试时间长。采用图像处理技术对输电线路间隔棒进行识别定位是一种非常直观、简便的方法，国内外学者已经开始了相关研究。其中，WaiHoLi等人以普通照相机从输电线路侧面拍摄的输电线路图像为研究目标，将输电导线视为直线并采用模板匹配方法对其进行定位，结合图像中间隔棒和导线间粘连接触点的特点，采用Gabor滤波实现间隔棒定位，该算法针对小视野、背景简单的图像能够得到理想的定位结果，但在输电线路弧垂大和背景复杂时效果不佳。李俊芳等人提出以安装在杆塔上的摄像机拍摄的视频图像为研究对象，采用归一化相关匹配的算法，结合金字塔分层搜索进行间隔棒的匹配定位，该方法采用全像素归一化匹配计算，算法计算量大、耗时较高，导致匹配算法时效性差。本专利技术基于远程数字视频图像技术，采用安装在杆塔上的摄像机拍摄输电线路现场视频，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，采用一种新的算法实现对输电线路间隔棒的自动识别和定位，该方法通过方向场定位输电线路目标区域，并将直方图和归一化相关匹配算法相结合，用于间隔棒中心定位。该算法能够更加实时、准确的定位输电线路中的间隔棒，为保证电力生产安全提供了一种更准确高效的手段，有着非常重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用视频图像处理技术定位输电线路间隔棒的方法，其特征在于，该方法为一种基于远程数字视频图像处理技术的输电线路间隔棒识别和定位方法；通过架设在杆塔上的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，从传送到监控中心的输电线路视频流中截取含有间隔棒的数字图像，采用基于方向场的快速模板匹配算法进行输电线路图像目标区域定位和间隔棒匹配定位，以简化定位算法的复杂度，提高定位的准确性和实时性，为输电线路状态信息的提取提供参考信息；具体步骤如下：1)通过架设在杆塔上的摄像头采集输电线路视频信号，从输电线路视频信号中截取含有间隔棒的原始图像；2)从原始图像中截取待定位的间隔棒模板图像；3)对原始图像依次进行规格化、方向场求取、各向一致性计算和区域标记的图像处理，获取区域标记中图像各向一致性值大于等于最大值96%的区域；4)对标记区域进行按行列扫描的方式进行间隔棒的模板匹配，以第2步截取得到的间隔棒图像为模板，匹配系数以匹配子图左上角像素坐标为索引，选取最大匹配系数所在的像素坐标为最佳匹配位置，以最佳匹配位置所在子图像的中心坐标作为间隔棒的中心定位点；5)重复进行第3、4步，经多次处理、匹配后，选取匹配结果中出现概率最大的坐标为间隔棒定位点。所述规格化是对原始图像进行常规的像素规格处理，消除图像灰度差异的影响，是为后续方向场求取进行的预处理过程。所述方向场求取是采用平方梯度算法，采用图像分块方法计算图像子块的梯度向量和方向角，进而求取图像整体平方梯度方向场。所述各向一致性计算和区域标记，是对图像方向场的各向一致性数值进行计算，以图像各向一致性最大值的96%为阈值，选取各向一致性值大于等于该阈值的区域进行锁定，并标记为目标区域。所述模板匹配是采用基于直方图和归一化相关的快速模板匹配算法，将直方图联合阈值匹配和归一化相关匹配相结合，减少匹配计算的复杂度。直方图联合阈值匹配算法是采用欧式距离和相交函数将模板直方图与匹配子区域的直方图进行相似度计算，以提高算法的实时性和准确性。本专利技术的有益效果是首先对间隔棒所在的输电线路图像部分进行目标区域定位，简化匹配定位扫描的范围；然后采用先直方图联合阈值匹配，后归一化相关最佳匹配的方法进行间隔棒中心定位；最后从多次定位结果中选取出现概率最大的坐标为最佳定位点。该方法在保证了定位实时性的同时，降低了定位过程中的误差率。附图说明图1是输电线路原始图片。图2是原始图像规格化处理后的图像。图3是规格化图像的方向场图。图4是输电线路图像的各向一致性图。图5是输电线路图像的区域定位结果图。图6是输电线路图像的直方图匹配结果标记图。图7是输电线路图像的最佳匹配定位结果图。图8是输电线路图像的匹配定位三维表示图。图9是输电线路图像匹配定位的流程图。具体实施方式本专利技术提供一种利用视频图像处理技术定位输电线路间隔棒的方法，该方法为一种新的基于远程数字视频图像处理技术的输电线路间隔棒识别和定位方法。该方法是为了准确的识别和定位输电线路的间隔棒，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，提取输电线路间隔棒中心位置信息，为监测输电线路获取弧垂、舞动等运行状态参数提供参考信息。下面结合附图对本专利技术予以进一步说明，并以输电线路间隔棒图像的处理过程为例。一、图像规格化图1是输电线路间隔棒的原始图片（图1上部固定在各电线上间隔棒，及各电线以外为摄像头采集的外界环境背景图像）。为了消除图像采集过程中由于传感器（摄像头）自身的噪声或是外界环境而造成的图像灰度上的差异，首先对图1的原始图像进行规格化处理，消除图像灰度上的差异，图2为规格化后的图像。规格化并不改变图像的清晰度，只是将图像中不同目标的对比度和灰度调整到一个固定的级别上，为后续处理提供一个较为统一的图像规格。规格化公式为：其中，I(i,j)为原图像中(i,j)坐标点的灰度值，M和VAR分别为图像I的灰度均值和方差，M0和VAR0分别为图像的均值和方差的期望值，G(i,j)为规格化后图像像素。二、通过方向场进行输电线路目标区域定位为了简化定位算法的计算复杂度，采用基于方向场的目标区域定位方法对图像中输电导线区域进行定位。方向场是描述图像纹理方向及其对应位置的二维平面场。利用方向场可以得到图像的局部结构特性，从而实现目标区域定位。基于梯度向量场的方法可以直接利用局部数据的梯度场，综合邻域的统计特征生成稳定的方向场，同时还可以评估生成方向的一致性。平方梯度方向场求取步骤如下所示：1)求取图像G中像素点(x,y)的梯度向量[Gx(x,y),Gy(x,y)]T；2)将图像G分成一系列不重叠的大小为w*w的块(此处选择w=8)，各分块的梯度向量为：...

【技术保护点】
一种利用视频图像处理技术定位输电线路间隔棒的方法，该方法为一种基于远程数字视频图像处理技术的输电线路间隔棒识别和定位方法；通过架设在杆塔上的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，从传送到监控中心的输电线路视频流中截取含有间隔棒的数字图像，采用基于方向场的快速模板匹配算法进行输电线路图像目标区域定位和间隔棒匹配定位，以简化定位算法的复杂度，提高定位的准确性和实时性，为输电线路状态信息的提取提供参考信息；其特征在于，具体步骤如下：1)通过架设在杆塔上的摄像头采集输电线路视频信号，从输电线路视频信号中截取含有间隔棒的原始图像；2)从原始图像中截取待定位的间隔棒模板图像；3)对原始图像依次进行规格化、方向场求取、各向一致性计算和区域标记的图像处理，区域标记是对图像方向场的各向一致性数值进行计算，以图像各向一致性最大值的96％为阈值，选取各向一致性值大于等于该阈值的区域进行锁定，并标记为目标区域；对标记区域进行按行列扫描的方式进行间隔棒的模板匹配，以选取最大匹配系数所在的像素坐标为最佳匹配位置；获取区域标记中图像各向一致性大于等于最大值96％的区域；其中，所述规格化是对原始图像进行常规的像素规格处理，消除图像灰度差异的影响，是为后续方向场求取进行的预处理过程；4)对步骤3)的区域标记进行按行列扫描的方式进行间隔棒的模板匹配，模板匹配是采用基于直方图和归一化相关的快速模板匹配算法，将直方图联合阈值匹配和归一化相关匹配相结合，减少匹配计算的复杂度，采用欧式距离和相交函数将模板直方图与匹配子区域的直方图进行相似度计算；再以步骤2从原始图像中截取得到的间隔棒图像为模板，匹配系数以匹配子图的像素坐标为索引，选取最大匹配系数所在的像素坐标为最佳匹配位置，以最佳匹配位置所在子图像的中心坐标作为间隔棒的中心定位点；5)重复进行步骤3、4，经多次处理、匹配后，选取匹配结果中出现概率最大的坐标为间隔棒定位点。...

【技术特征摘要】
1.一种利用视频图像处理技术定位输电线路间隔棒的方法，该方法为一种基于远程数字视频图像处理技术的输电线路间隔棒识别和定位方法；通过架设在杆塔上的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，从传送到监控中心的输电线路视频流中截取含有间隔棒的数字图像，采用基于方向场的快速模板匹配算法进行输电线路图像目标区域定位和间隔棒匹配定位，以简化定位算法的复杂度，提高定位的准确性和实时性，为输电线路状态信息的提取提供参考信息；其特征在于，具体步骤如下：1)通过架设在杆塔上的摄像头采集输电线路视频信号，从输电线路视频信号中截取含有间隔棒的原始图像；2)从原始图像中截取待定位的间隔棒模板图像；3)对原始图像依次进行规格化、方向场求取、各向一致性计算和区域标记的图像处理，区域标记是对图像方向场的各向一致性数值进行计算，以图像各向一致性最大值的96％为阈值，选取各向一致性值大于等于该阈值的区域进行锁定，并标记为目标区域；对标记区域进行按行列扫描的方式进行间隔棒的模板匹配，以选取最大匹配系数所在的像素...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙凤杰，赵孟丹，范杰清，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11