基于三維場(chǎng)景的電力設(shè)施安全區(qū)域預(yù)警方法

彭 斌，麻立群，潘堅(jiān)躍，張?jiān)?，?希

（1.國(guó)家電網(wǎng)浙江臨安市供電公司 浙江 臨安311300；2.國(guó)家電網(wǎng)杭州供電公司 浙江 杭州 310009；3.西安交通大學(xué) 陜西 西安710049）

基于三維場(chǎng)景的電力設(shè)施安全區(qū)域預(yù)警方法

彭 斌1，麻立群1，潘堅(jiān)躍2，張?jiān)?，陳 希3

（1.國(guó)家電網(wǎng)浙江臨安市供電公司 浙江 臨安311300；2.國(guó)家電網(wǎng)杭州供電公司 浙江 杭州 310009；3.西安交通大學(xué) 陜西 西安710049）

在電力設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)過(guò)程中，需要監(jiān)控在現(xiàn)場(chǎng)中的工作人員的位置用來(lái)對(duì)人員目標(biāo)進(jìn)行安全預(yù)警。本文提出了一種基于三維場(chǎng)景標(biāo)定技術(shù)的電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)人員目標(biāo)安全預(yù)警方法，可以對(duì)于電力設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)攝到的監(jiān)控圖像視頻進(jìn)行分析。從電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)以及監(jiān)控視頻中提取先驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)，根據(jù)先驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，完成對(duì)電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的三維場(chǎng)景建模，再根據(jù)人員目標(biāo)的識(shí)別結(jié)果從視頻中計(jì)算人員目標(biāo)的實(shí)際位置，與預(yù)先設(shè)定好的安全區(qū)域預(yù)警參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，確定當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)。該方法經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，可以穩(wěn)定的計(jì)算人員目標(biāo)位置，提出準(zhǔn)確安全預(yù)警信號(hào)。

電力設(shè)施，視頻監(jiān)控，三維場(chǎng)景，標(biāo)定，預(yù)警

現(xiàn)代化社會(huì)的電力系統(tǒng)是一個(gè)從發(fā)電、輸電到配電、用電的龐大系統(tǒng)，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都有可能導(dǎo)致大面積的電力供應(yīng)缺失，影響正常的生產(chǎn)生活秩序。這需要我們時(shí)刻對(duì)電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，在出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)修復(fù)。在電力設(shè)施檢修過(guò)程中，容易在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，如線路脫落。此時(shí)，一旦工作人員接近，就會(huì)產(chǎn)生安全隱患。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以用來(lái)預(yù)防電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況。監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拍攝，將監(jiān)控畫面?zhèn)骰睾蠓奖O(jiān)控中心，工作人員可以進(jìn)行監(jiān)控。但是人工監(jiān)控費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還會(huì)出現(xiàn)漏檢。

在少量應(yīng)用了簡(jiǎn)單圖像處理算法的電力設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)人員目標(biāo)的監(jiān)控停留在解決少量目標(biāo)、分類容易的情況[1-2]，并且一旦檢測(cè)到人員目標(biāo)即會(huì)報(bào)警[3]，無(wú)法真正的對(duì)人員目標(biāo)的行為進(jìn)行監(jiān)控?；趯?duì)監(jiān)控圖像進(jìn)行背景圖像分析，然后進(jìn)行背景差分和模板匹配，王永燦等人提出了一種對(duì)接近高壓輸電線桿塔附近的人員目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控的方法[4]，但是該方法只是識(shí)別人員目標(biāo)，而并不會(huì)對(duì)人員目標(biāo)的位置做出分析。

文中應(yīng)用三維場(chǎng)景標(biāo)定技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定數(shù)據(jù)的人員目標(biāo)位置計(jì)算方法，使得監(jiān)控系統(tǒng)能夠從二維監(jiān)控圖像中分析在電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中人員目標(biāo)當(dāng)前位置，和預(yù)先確定的安全預(yù)警區(qū)域參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，從而確定當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)中是否有人員目標(biāo)處于危險(xiǎn)位置，從而穩(wěn)定地提出安全預(yù)警信號(hào)。

1 電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控場(chǎng)景

針對(duì)不同的施工作業(yè)狀態(tài)，電力設(shè)施圖像視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要設(shè)定不同的閾值來(lái)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的狀態(tài)。首先根據(jù)監(jiān)控場(chǎng)景來(lái)進(jìn)行標(biāo)定，建立二維監(jiān)控畫面和三維實(shí)際場(chǎng)景之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，根據(jù)該對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算目標(biāo)的位置參數(shù)，從而得到穩(wěn)定的依據(jù)來(lái)判定是否給出安全預(yù)警信號(hào)。要實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的標(biāo)定計(jì)算，可以采用雙攝像機(jī)的雙目視覺(jué)系統(tǒng)[5]和單攝像機(jī)的單目視覺(jué)系統(tǒng)。雙目視覺(jué)系統(tǒng)需要兩臺(tái)攝像機(jī)，經(jīng)濟(jì)成本較高，是單目系統(tǒng)的兩倍。雙目系統(tǒng)的架設(shè)難度和標(biāo)定的準(zhǔn)確度和復(fù)雜度都很高。采用單目視覺(jué)系統(tǒng)，雖然會(huì)丟失縱深信息，并且系統(tǒng)的魯棒性不高，但可通過(guò)采集周圍環(huán)境信息、周邊物體的距離信息，并設(shè)計(jì)魯棒性較高的算法來(lái)彌補(bǔ)不足。本文設(shè)計(jì)的成像技術(shù)方法是基于單目視覺(jué)系統(tǒng)的。

1.1 單攝像機(jī)監(jiān)控成像系統(tǒng)

單目視覺(jué)系統(tǒng)中只有一個(gè)攝像機(jī)。三維場(chǎng)景通過(guò)攝像機(jī)變?yōu)槎S平面圖像，三維場(chǎng)景的縱向信息丟失。單目視覺(jué)系統(tǒng)中的攝像機(jī)所記錄的亮度信息是一個(gè)3D場(chǎng)景的透視投影，遵從于透視投影模型，即針孔模型[6]，如圖1所示。

圖1中的O點(diǎn)是相機(jī)鏡頭，光線從O點(diǎn)進(jìn)入，在相機(jī)成像面上成像。對(duì)于成像面上的像點(diǎn)B，它可能是空間中A點(diǎn)在成像面上的投影，也可能是射線BO的延長(zhǎng)線上任意一點(diǎn)在成像面上的投影。因此A點(diǎn)的位置不能確定，只知道它在射線BO的延長(zhǎng)線上。要確定A點(diǎn)的三維坐標(biāo)，必須要其他已知數(shù)據(jù)，如對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定等。

1.2 監(jiān)控場(chǎng)景的分析

通過(guò)架設(shè)在變電站內(nèi)的監(jiān)控?cái)z像機(jī)所拍攝到的監(jiān)控場(chǎng)景如圖3所示，道路兩邊的電力設(shè)施通常電壓都很高，工作人員不能用手直接接觸的。并且這些變電設(shè)施很少需要更換或維修操作，對(duì)電力系統(tǒng)工作人員來(lái)說(shuō)，更多的是對(duì)于這些變電設(shè)施的巡檢工作。在巡檢過(guò)程中，一旦工作人員離開(kāi)道路靠近變電設(shè)施，就有可能產(chǎn)生安全隱患，因此針對(duì)電力設(shè)施作業(yè)過(guò)程中人員目標(biāo)的監(jiān)控主要集中在對(duì)人員目標(biāo)位置參數(shù)的獲取。

2 人員目標(biāo)位置的計(jì)算

根據(jù)1.1的分析，監(jiān)控?cái)z像機(jī)所拍攝到的圖像只包含了監(jiān)控場(chǎng)景的二維信息，在縱深方向上的三維信息丟失了。為了彌補(bǔ)丟失的信息，建立監(jiān)控圖像二維坐標(biāo)和實(shí)際監(jiān)控場(chǎng)景三維坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，需要在計(jì)算之前先獲取實(shí)際監(jiān)控場(chǎng)景中的一些標(biāo)志物的位置和尺寸數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。在現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)視覺(jué)計(jì)算理論體系中，常用的方法如Zhang等人提出的標(biāo)定法[7]，需要獲取監(jiān)控場(chǎng)景中已有目標(biāo)的位置和高度參數(shù)、攝像機(jī)自身的焦距和CCD尺寸參數(shù)，通過(guò)基于攝像機(jī)針孔模型的幾何光路分析，完成對(duì)侵入目標(biāo)參數(shù)的計(jì)算。

如果在計(jì)算之前，事先對(duì)監(jiān)控?cái)z像機(jī)所拍攝的監(jiān)控場(chǎng)景做出標(biāo)定，獲取足夠多的先驗(yàn)數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)完成圖像二維坐標(biāo)和實(shí)際場(chǎng)景三維坐標(biāo)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立，就可以擺脫攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定工作，因?yàn)檫@種標(biāo)定通常較為困難。通過(guò)這種方法計(jì)算人員目標(biāo)的位置參數(shù)，先驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)獲取的越多，計(jì)算結(jié)果的精度就會(huì)越高。

圖2 變電站內(nèi)監(jiān)控場(chǎng)景圖Fig.2 Surveillance image of an electricity substation

2.1 先驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)的獲取

在如圖2所示的監(jiān)控場(chǎng)景中，人員目標(biāo)的活動(dòng)范圍限定在路面上，因此需要對(duì)于整個(gè)路面所在的二維平面做出標(biāo)定。

如圖3所示，從路面的最近端到最遠(yuǎn)端，每隔一段距離就進(jìn)行一次標(biāo)定物的擺放，擺放分為左右兩個(gè)位置，兩個(gè)位置之間的距離是固定的。每次擺放都進(jìn)行標(biāo)定圖片的拍攝。用激光測(cè)距儀測(cè)出每一個(gè)標(biāo)志物擺放位置到監(jiān)控?cái)z像機(jī)的距離，將其作為標(biāo)定先驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來(lái)。針對(duì)每一張標(biāo)定圖片，其中標(biāo)志物的圖像x坐標(biāo)和圖像y坐標(biāo)都需要手動(dòng)從標(biāo)定圖片中獲取，這些像素坐標(biāo)也要作為先驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 標(biāo)定標(biāo)志物的擺放示意圖Fig.3 Locations of markers for calibration

2.2 人員目標(biāo)位置參數(shù)的計(jì)算

基于2.1中獲取的先驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)，首先建立圖像二維坐標(biāo)和實(shí)際場(chǎng)景三維坐標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也就是進(jìn)行三維場(chǎng)景建模，然后根據(jù)該模型計(jì)算人員目標(biāo)的位置參數(shù)。

在如圖2所示的監(jiān)控場(chǎng)景中，需要計(jì)算的位置參數(shù)包括兩個(gè)：一是人員目標(biāo)距離監(jiān)控?cái)z像機(jī)的水平距離L，二是人員目標(biāo)距離道路兩旁電力設(shè)施的距離M。根據(jù)L和M的計(jì)算結(jié)果，和實(shí)現(xiàn)確定好的安全區(qū)域預(yù)警參數(shù)進(jìn)行比較，就可以判斷出當(dāng)前人員目標(biāo)是否出現(xiàn)危險(xiǎn)位置。

在本例中，如圖3所示，將每一次標(biāo)定物所擺放位置的圖像坐標(biāo)y和實(shí)際標(biāo)定物距離監(jiān)控?cái)z像機(jī)的水平距離對(duì)應(yīng)起來(lái)，如表1所示。然后根據(jù)表1所示的數(shù)據(jù)，將所有的標(biāo)定物圖像坐標(biāo)y和標(biāo)定物水平距離L對(duì)應(yīng)起來(lái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到L-y曲線，如圖4所示。一旦得到L-y曲線，當(dāng)獲知了人員目標(biāo)在二維監(jiān)控圖像上的像素坐標(biāo)y之后，便可以計(jì)算出人員目標(biāo)在實(shí)際三維場(chǎng)景中距離監(jiān)控?cái)z像機(jī)的距離L。

由于監(jiān)控場(chǎng)景中各個(gè)電力設(shè)施的位置基本上是固定不變的，因此可以通過(guò)人員目標(biāo)在圖像上面和電力設(shè)施之間圖像坐標(biāo)x的差來(lái)計(jì)算人員目標(biāo)距離電力設(shè)施的遠(yuǎn)近M。事實(shí)上，距離監(jiān)控?cái)z像機(jī)越遠(yuǎn)，相同的x坐標(biāo)差代表著更長(zhǎng)的距離，因此首先需要對(duì)不同遠(yuǎn)近程度下，圖像x坐標(biāo)所代表的實(shí)際長(zhǎng)度做出標(biāo)定。

表1 L-y對(duì)應(yīng)關(guān)系表Tab.1 Correspondence between L-y

圖4 循Fig.4 Schematic drawing of L-y curve

在圖3所示的標(biāo)定物擺放過(guò)程中，左右兩個(gè)位置之間的距離固定為4.5 m，可以根據(jù)這個(gè)距離來(lái)標(biāo)定不同遠(yuǎn)近下圖像x坐標(biāo)所代表的實(shí)際長(zhǎng)度。首先從圖像上獲取各個(gè)不同的距離下標(biāo)定物在圖像上的x坐標(biāo)，如表2所示。表2中，每一個(gè)距離上圖像x坐標(biāo)差值除以左右兩個(gè)標(biāo)定物之間的實(shí)際距離，便可以得到在某一個(gè)遠(yuǎn)近下1 m所代表的圖像像素?cái)?shù)量P，將所有的P和標(biāo)定物水平距離L對(duì)應(yīng)起來(lái)，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，可以得到P-L曲線，如圖5所示。根據(jù)P-L曲線，當(dāng)已知人員目標(biāo)距離監(jiān)控?cái)z像機(jī)的水平距離時(shí)，便可以計(jì)算出在那樣一個(gè)距離上一個(gè)圖像像素所代表的實(shí)際長(zhǎng)度是多少，然后根據(jù)人員目標(biāo)的圖像坐標(biāo)便可以計(jì)算出人員目標(biāo)距離道路兩旁電力設(shè)施的遠(yuǎn)近M。

表2 P-L對(duì)應(yīng)關(guān)系表Tab.2 Correspondence between P-L

圖5 P-L曲線示意圖Fig.5 Schematic drawing of P-L curve

2.3 人員目標(biāo)的安全區(qū)域預(yù)警

通過(guò)圖6來(lái)說(shuō)明如何應(yīng)用2.2中的計(jì)算結(jié)果來(lái)進(jìn)行針對(duì)變電場(chǎng)內(nèi)監(jiān)控場(chǎng)景的人員目標(biāo)安全預(yù)警判定。左上角和右上角用紅線框住標(biāo)出的部分區(qū)域設(shè)定為危險(xiǎn)區(qū)域，一旦人員目標(biāo)進(jìn)入即會(huì)發(fā)出安全預(yù)警信號(hào)。圖6中軸線左側(cè)的區(qū)域距離中軸線的距離數(shù)值設(shè)定為負(fù)值，右側(cè)設(shè)定為正值。所劃定的危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)榫嚯x攝像機(jī)水平距離為大于38 m的區(qū)域，同時(shí)距離中軸線小于-2 m或大于4.5 m的區(qū)域。針對(duì)圖6中的3個(gè)人員目標(biāo)，從左至右分別標(biāo)為A、B、C，他們的位置參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。從計(jì)算結(jié)果中看出，3個(gè)人員目標(biāo)均未進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域。

圖6 人員目標(biāo)安全區(qū)域預(yù)警示意圖Fig.6 Schematic drawing of safety region for staff

表3 人員目標(biāo)安全區(qū)域預(yù)警結(jié)果表Tab.3 Safety warning results for staff

3 結(jié)論

文中提出了基于先驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)的單攝像機(jī)電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的安全區(qū)域預(yù)警方法。該方法首先對(duì)電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定，獲取足夠的先驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)，然后基于先驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)完成二維圖像坐標(biāo)和三維場(chǎng)景坐標(biāo)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的建立，計(jì)算電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)人員目標(biāo)的位置參數(shù)，根據(jù)預(yù)先確定的電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全區(qū)域參數(shù)，判斷當(dāng)前電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的狀態(tài)，提出安全預(yù)警信號(hào)。該方法應(yīng)用穩(wěn)定準(zhǔn)確，在電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控方面有廣大的應(yīng)用前景。

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A precaution method based on 3D scence model for power equipment security

PENG Bin1,MA Li-qun1,PAN Jian-yue2,ZHANG Yuan-xin3,CHEN Xi3
（1.Lin’an Power Bureau,Lin’an 311300,China;2.Hangzhou Power Bureau,Hangzhou 310009,China; 3.Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China）

In the process of power facilities on-site operations,the location of staff should be obtained for security warning.An algorithm based on three-dimensional(3D)scene calibration technique was proposed for precaution.Firstly,the priori calibration data was extracted from the surveillance video and work field;secondly,the 3D scene model was established based on the fitted priori data;and then,the actual location of staff was computed and compared with the precaution parameters to confirm the present on-site situation.This method has been proven in field,it is accurate and stable.The location of staff can be computed correctly and the safety warning signal can be sent out in time.

power equipment;video surveillance;3D scene;calibration;precaution

TN384

A

1674－6236（2015）10-0065-03

2014-09-04 稿件編號(hào)：201409037

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（9092003）

彭 斌(1975—)，男，湖北宜昌人，高級(jí)工程師。研究方向：信息化管理及信息技術(shù)。