輸電線路巡檢智能單兵裝備全景采集系統(tǒng)設(shè)計

王維坤，余志偉，馬鵬飛

(安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230022)

0 引言

電力巡檢作為保障電力線路安全的最基本措施[1]，通常由巡視員到現(xiàn)場巡視，并以紙張或筆記本的形式記錄電力線路情況。這種方法不僅效率低下，而且信息采集的全面性較差，受環(huán)境影響較大，存在許多盲區(qū)，難以獲取全景信息[2]。為提升電網(wǎng)巡檢效率和質(zhì)量，眾多專家學(xué)者對電力巡檢系統(tǒng)展開研究與設(shè)計，其中，曹峰梅等[3]設(shè)計了折反射全景系統(tǒng)，利用折射成像系統(tǒng)分析雙曲面反射的鏡面參數(shù)實現(xiàn)全景采集，受空間角度和圖像分辨率影響，該系統(tǒng)采集信息不夠全面，且圖像處理運算難度較高；陳國勝等[4]設(shè)計了智能紅外全景識別系統(tǒng)，依據(jù)低功耗原理，利用BIRD網(wǎng)絡(luò)形式完成全景信息采集，受時差性影響，其區(qū)域感知性能較低。

面對此類情況，單人背包式信息采集的方式應(yīng)運而生，利用攝像機采集電路畫面?zhèn)鬏數(shù)胶笈_，在降低人工采集信息錯誤率的同時，也彌補了車載信息采集方式的區(qū)域片面性，且危險系數(shù)較低。對此，本文設(shè)計輸電線路巡檢中的單人背包式全景采集系統(tǒng)，為提升電路安全提供有力保障。

1 單人背包式全景采集系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

輸電線路巡檢中的單人背包式全景采集系統(tǒng)主要由后臺管理模塊和單人背包式全景采集設(shè)備組成，二者間以USB串口方式連接，GPS衛(wèi)星定位單人背包式全景采集設(shè)備，GPRS基站利用互聯(lián)網(wǎng)連接采集設(shè)備和后臺管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了從輸電線路巡檢云服務(wù)到終端巡檢的實施過程。輸電線路巡檢中的單人背包式全景采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 輸電線路巡檢中的單人背包式全景采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1中，單人背包式全景采集設(shè)備負(fù)責(zé)巡視任務(wù)的接收、監(jiān)督、導(dǎo)航，以及采集、傳輸全景數(shù)據(jù)等[5]，后臺管理模塊負(fù)責(zé)線路查詢、系統(tǒng)維護和全景圖像拼接等。

1.2 單人背包式全景采集設(shè)備

1.2.1 設(shè)備組成

單人背包式全景采集設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，中央控制模塊作為全景采集設(shè)備的核心，主要負(fù)責(zé)采集定位數(shù)據(jù)，以藍(lán)牙方式接收數(shù)碼相機拍攝的圖像，與MCU和后臺管理模塊相連接，實現(xiàn)電力巡檢相關(guān)任務(wù)。MCU模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控圖像采集模塊，圖像采集模塊的信息通過UART接口方式傳輸?shù)組CU模塊，經(jīng)過協(xié)議解析后，使圖像采集模塊完成拍攝任務(wù)，并以LED的形式展示[6-7]。RFID模塊負(fù)責(zé)物資管理，以標(biāo)簽的形式標(biāo)記物料，由于金屬和非金屬材料的混合情況，本文采用超高頻標(biāo)簽來提高射頻的穿透性，實現(xiàn)物資管理功能。整個系統(tǒng)的供電和電源輸出則由電池模塊負(fù)責(zé)。

圖2 單人背包式全景采集設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.2.2 圖像信息采集

巡檢圖像數(shù)據(jù)以第三方SDK庫訪問方式傳輸?shù)絾稳吮嘲饺安杉到y(tǒng)的后臺管理模塊內(nèi)，在不同GPRS基站之間建立長連接，獲取基站服務(wù)器指令；在相同的HTTP之間建立短連接，發(fā)送位置信息、巡檢圖像等，后臺模塊依據(jù)該信息實現(xiàn)巡檢管理，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常時，通過建立本地數(shù)據(jù)庫的方式及時備份巡檢相關(guān)數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)圖像信息采集流程如圖3所示。

圖3 圖像信息采集流程

1.3 全景圖像拼接

1.3.1 圖像拼接流程

圖像拼接是系統(tǒng)實現(xiàn)全景圖像采集的關(guān)鍵技術(shù)，在系統(tǒng)的后臺管理模塊中實現(xiàn)。全景圖像拼接可以將有邊界的圖像拼接成全景圖像，而圖像拼接最重要的是圖像特征提取。提取的圖像經(jīng)過最近鄰匹配、特征點估計和參數(shù)變化后形成全景圖像。

1.3.2 基于SIFT圖像特征提取

作為一種局部特征提取方法，SIFT算法在圖像處理方面有很強的優(yōu)越性，應(yīng)用范圍非常廣泛[8]。SIFT算法的核心是距離空間理論，其圖像特征提取步驟如下所述。

a．定義二維高斯函數(shù)，公式為

(1)

利用式(1)推導(dǎo)范圍空間表達(dá)式為

L(x,y,σ)=G(x,y,σ)*|(x,y)

(2)

上述公式中，范圍空間因子、圖像在某特定點的像素值、具有范圍變換的高斯函數(shù)與圖像的卷積分別由σ、|(x,y)、L(x,y,σ)表示。

b．范圍空間極值檢測。

該算法利用高斯差分離器的 DoG算子，在距離空間上檢測穩(wěn)定關(guān)鍵點，其計算公式為

D(x,y,σ)=(G(x,y,kσ))*|(x,y)=

L(x,y,kσ)-L(x,y,σ)

(3)

剩余DoG算子的范圍空間由式(3)獲得，該公式是由圖像高斯金字塔的每個范圍內(nèi)相鄰金字塔的范圍之差獲得的。

為了得到極值點，比較每個采樣點的中點，分別在該層空間、上層空間和下層空間中取每個采樣點的最大值和最小值，然后在這個范圍內(nèi)取每個采樣點的極值點，即要選擇的特征點。

由于每組圖像的第1層和最后1層都無法進行極值比較處理[9-10]，為了提高空間變化的連續(xù)性，采用了高斯模糊法，將每組圖像的第1層和最后1層分成2組圖像，從而保證極值計算的全面性。

c．篩除不合格關(guān)鍵點。

通過差分處理確定各極值點的位置和范圍，選取低對比度、不穩(wěn)定極值點及邊緣響應(yīng)點，進行差值處理[11]，則DoG函數(shù)在范圍空間的Taylor展開公式為

(4)

M表示樣本像素點，其計算公式為

M=(x,y,σ)T

(5)

(6)

為了剔除不穩(wěn)定的邊緣響應(yīng)點，對使用2×2矩陣N求導(dǎo)[12]，其主曲率計算公式為

(7)

假設(shè)α、β均表示特征值，矩陣N特征值和D的主曲率成比例，且α>β，則

trN=Dxx+Dyy=α+β

(8)

(9)

當(dāng)α=γβ時，則

(10)

檢測的主曲率通過式(10)獲取。通過判斷某個特定閾值γ是否高于主曲率，完成極值點剔除流程。

d．關(guān)鍵點方向分配。

為保證特征描述向量在方向上擁有保持不變的特性[13]，利用圖像的局部特征獲取各個點的方向，假設(shè)m(x,y)、θ(x,y)分別表示梯度和方向，則梯度和方向的計算公式為

m(x,y)=[(Q(x+1,y)-Q(x-1,y))2+

(11)

(12)

其中，關(guān)鍵點的范圍空間值由Q(x,y)表示。

在篩除不合格關(guān)鍵點過程中，由于梯度直方圖角度為360°，在實際計算中按照45°角1個柱，合計8個柱，并在以關(guān)鍵點為中心的相鄰窗口內(nèi)采樣計算。當(dāng)圖像特征檢索完成后，每個特征點均具有范圍、位置和方向3個信息[14]。

e．關(guān)鍵點描述子生成。

為保證圖像特征的旋轉(zhuǎn)不變性，使圖像特征坐標(biāo)與關(guān)鍵點的方向一致，以關(guān)鍵點為中心，用4×4小窗計算8個方向的直方圖，得到每個梯度的積累值，得到8×8的窗口[15]，并生成特征特征子描述，從而形成種子點。采用4×4的小窗口，以種子點為128維 SIFT特征向量，對圖像進行特征提取，并對最近鄰匹配、特征點估計和參數(shù)變化進行全景圖處理，以提高圖像匹配的魯棒性。

2 實驗分析

為驗證本文系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中的各種性能，以某市輸電線路巡檢任務(wù)為實驗對象，在系統(tǒng)采集角度、穩(wěn)健性等方面展開實驗。

為突出本文系統(tǒng)使用性能，與文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)進行對比，其中文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)為基于仿視網(wǎng)膜成像器件的折反射全景系統(tǒng)，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)為基于BIRD網(wǎng)絡(luò)的智能紅外全景識別系統(tǒng)。

系統(tǒng)圖像采集角度是降低輸電線路巡檢任務(wù)難度的途徑之一。為此，驗證3種系統(tǒng)的圖像采集角度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 3種系統(tǒng)圖像采集角度

分析圖4可知，使用3種系統(tǒng)采集到的同一地點圖像后，本文系統(tǒng)所采集到的圖像角度廣，范圍大，且清晰度較高，而文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)所采集的圖像角度小，若采集到全畫面圖像需采集2～3張圖像，增加巡檢任務(wù)難度。由此可知，本文系統(tǒng)圖像采集角度較大，可有效降低電路巡檢任務(wù)的復(fù)雜程度。

圖像的幀頻是影響系統(tǒng)圖像采集效果的指標(biāo)之一。在不同分辨率情況下，3種系統(tǒng)采集圖像的幀頻結(jié)果如表1所示。

表1 3種系統(tǒng)采集圖像幀頻

分析表1可知，3種系統(tǒng)采集的圖像幀頻均隨著分辨率的增加而增加，當(dāng)分辨率為1 280×720時，本文系統(tǒng)與文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)采集的圖像幀頻相同，但隨著分辨率的增加，本文系統(tǒng)采集圖像的幀頻高于文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)與文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)采集的圖像幀頻。當(dāng)分辨率為2 592×1 944時，本文系統(tǒng)采集的圖像幀頻較文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)分別高9幀/s和11幀/s。由此可知，本文系統(tǒng)的圖像幀頻能力采集較強。

以圖像處理時間和功耗為衡量系統(tǒng)穩(wěn)健性能指標(biāo)，在分辨率為2 560×960和2 592×1 944的情況下，測試3種系統(tǒng)圖像處理時間與功耗，結(jié)果如表2所示。

表2 不同分辨率下3種系統(tǒng)圖像處理結(jié)果

分析表2可知，當(dāng)分辨率相同時，本文系統(tǒng)的圖像處理工作頻率高于對比系統(tǒng)，而圖像處理耗時和設(shè)備總能耗低于文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)，在分辨率為2 560×960時，本文系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的設(shè)備總功耗相同，但本文系統(tǒng)圖像處理耗時和設(shè)備總能耗具有較高優(yōu)越性，由此可知，本文系統(tǒng)圖像處理工作的穩(wěn)定性能較好。

由于輸電線路巡檢環(huán)境不一，測試不同噪聲環(huán)境下3種系統(tǒng)信息傳輸能力，結(jié)果如表3所示。

表3 不同噪聲環(huán)境下3種系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸情況

分析表3可知，3種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸幀數(shù)隨著噪聲的增加而逐漸降低，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸幀數(shù)較文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸幀數(shù)高，且隨著噪聲的增加，其降低幅度較低。當(dāng)噪聲為200 dB時，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸幀數(shù)為340幀/s，較文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)分別高76 幀/s和51 幀/s。由此可知，本文系統(tǒng)受噪聲干擾較小且具有較強的數(shù)據(jù)傳輸能力。

測試多巡檢任務(wù)情況下，3種系統(tǒng)同步性，結(jié)果如圖5所示。

圖5 3種系統(tǒng)同步性能測試

分析圖5可知，在多個巡檢任務(wù)情況下，本文系統(tǒng)的圖像采集完成時間差曲線較文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的圖像采集完成時間差曲線起伏小，且最大圖像采集完成時間差值較低，3種系統(tǒng)的圖像采集完成時間差的平均值分別為1.11 s、1.15 s、1.28 s。由此可知，本文系統(tǒng)同步性較好，即在多個巡檢任務(wù)下，同步性能較好。

當(dāng)并發(fā)用戶數(shù)量較大時，測試3種系統(tǒng)的運行時間，結(jié)果如圖6所示。

圖6 3種系統(tǒng)運行時間測試結(jié)果

分析圖6可知，當(dāng)并發(fā)用戶數(shù)量增加時，3種系統(tǒng)的運行時間也隨之增加，其中當(dāng)并發(fā)用戶量在0～60 個之間，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)的運行時間最低，當(dāng)用戶量超過60個后，本文系統(tǒng)運行時間最低，且隨著并發(fā)用戶數(shù)量的增加，其運行時間曲線增加緩慢，當(dāng)并發(fā)用戶數(shù)量為180個時，本文系統(tǒng)的運行時間與其他系統(tǒng)運行時間相比，分別相差3.2 min和3 min。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合單人背包式信息采集方式，設(shè)計輸電線路巡檢中的單人背包式全景采集系統(tǒng)，利用攝像設(shè)備采集輸電線路圖像，基于SIFT圖像特征，提取輸電線路巡檢過程的全景圖像。實驗結(jié)果表明：本文系統(tǒng)采集圖像角度廣，可有效降低電路巡檢任務(wù)難度；隨著分辨率的增加，采集圖像幀頻較高，圖像采集能力強；系統(tǒng)工作頻率、圖像處理耗時等均較高，具有較強穩(wěn)定性。