攝像機(jī)云臺(tái)預(yù)置位偏移檢測(cè)與自動(dòng)校正方法

張俊康，戴熠晨，王曉蓉，許志坤，王輝煌

（國(guó)網(wǎng)福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州 362000）

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中為了快速準(zhǔn)確地定位到目標(biāo)點(diǎn)，需要對(duì)云臺(tái)攝像系統(tǒng)采取預(yù)置位定位的方法。預(yù)先將云臺(tái)攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)位置，并將此位置設(shè)置為預(yù)置位。監(jiān)控人員在須定位到此目標(biāo)位置時(shí)，只須要向云臺(tái)控制系統(tǒng)發(fā)送定位到預(yù)置位的命令，就可以快速定位到目標(biāo)位置，準(zhǔn)確地找到目標(biāo)。目前，調(diào)度遠(yuǎn)方操作已經(jīng)實(shí)現(xiàn)斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、接地刀閘等電動(dòng)設(shè)備變位自動(dòng)聯(lián)動(dòng)彈出攝像機(jī)預(yù)置位的功能[1]。

1 現(xiàn)狀分析

影響攝像機(jī)云臺(tái)預(yù)置位精度的因素主要包括電機(jī)質(zhì)量、滑環(huán)性能及電路的控制[2]。云臺(tái)所帶負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣性大，決定了云臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭力要大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械齒輪的間距及結(jié)構(gòu)件的精度造成預(yù)置位精度有誤差，并且長(zhǎng)時(shí)間調(diào)用預(yù)置位會(huì)使誤差累積，造成預(yù)置位完全偏移原來(lái)設(shè)置的位置。針對(duì)AIS 隔離開(kāi)關(guān)遠(yuǎn)方遙控操作、順控“全景 + 三相”的視頻判據(jù)要求，如圖1 所示，如遠(yuǎn)方無(wú)法判斷操作后位置，則須變電站運(yùn)維人員現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)或終止遠(yuǎn)方操作改就地操作，因此對(duì)攝像機(jī)預(yù)置位準(zhǔn)確度提出了更高的要求，它影響到遠(yuǎn)方倒閘操作的正確性、安全性和成功率。數(shù)量龐大的視頻設(shè)備的運(yùn)維工作都是完全靠人工檢測(cè)來(lái)處理的。

圖1 “全景 + 三相”的視頻判據(jù)要求

現(xiàn)有檢測(cè)目標(biāo)圖像和標(biāo)準(zhǔn)圖像的位置偏移方法，通常是將2 幅圖像的整幀圖像進(jìn)行對(duì)比或疊加處理。2 幅圖像進(jìn)行疊加處理，直接獲取圖像分界的位置；現(xiàn)有研究利用繪制的標(biāo)尺樣條線探測(cè)，從而獲取目標(biāo)圖像的偏移位置，這種方法是利用線匹配，匹配精度低，檢測(cè)的位置偏移量精度低。現(xiàn)有方法通過(guò)將2 幅圖像的整幀圖像對(duì)比，進(jìn)行塊匹配或通過(guò)快速傅里葉變換求出其相位相關(guān)函數(shù)得到偏移量。這種方法的匹配幾乎對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)都進(jìn)行處理或變換，計(jì)算量大，降低處理速度。

2 總體思路

本文涉及一種預(yù)置位圖像智能偏移檢測(cè)及校正方法，總體思路的流程如圖2。

圖2 圖像智能偏移檢測(cè)及校正方法總體思路

圖像采集：采集變電站攝像頭拍攝設(shè)備預(yù)置位圖像作為標(biāo)準(zhǔn)圖像，拍攝當(dāng)前設(shè)備位置（不同于預(yù)置位）作為待檢測(cè)圖像。

圖像預(yù)處理：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖像和待檢測(cè)圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)變換處理，獲取無(wú)文字信息的二值圖像。

獲取偏移量：從二值圖像中提取標(biāo)準(zhǔn)圖像和待檢測(cè)圖像特征點(diǎn)，并計(jì)算其特征向量并進(jìn)行歸一化處理。特征向量進(jìn)行匹配，獲取圖像變換矩陣，根據(jù)圖像變換矩陣獲取待檢測(cè)圖像相較于標(biāo)準(zhǔn)圖像在x和y方向的偏移量。

確定旋轉(zhuǎn)角度：根據(jù)偏移量與旋轉(zhuǎn)角度之間的關(guān)系曲線，確定攝像機(jī)當(dāng)前旋轉(zhuǎn)角度。

自動(dòng)校正：對(duì)攝像頭進(jìn)行多次移動(dòng)操作，以有效校正攝像頭，保證其始終位于預(yù)設(shè)位置，以此實(shí)現(xiàn)預(yù)置位偏移檢測(cè)和自動(dòng)校正。

2.1 預(yù)置位偏移檢測(cè)研究

采集設(shè)備預(yù)置位拍攝的標(biāo)準(zhǔn)圖像和當(dāng)前攝像頭拍攝的待檢測(cè)圖像，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，其主要步驟：對(duì)圖像進(jìn)行高斯濾波操作以去除噪聲的影響；獲取圖像的尺寸，若圖像尺寸過(guò)大，則對(duì)圖像進(jìn)行下采樣操作，以提高圖像檢測(cè)效率。

對(duì)預(yù)處理后的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，并進(jìn)行高級(jí)形態(tài)學(xué)閉運(yùn)算操作，去除圖像上固有的文字信息，獲取去除文字信息的二值圖像。此處的固有文字信息一般是攝像頭的設(shè)備信息，且同一攝像頭的文字信息相同，若不去除該文字信息，則會(huì)對(duì)后面的圖像特征匹配造成影響。利用有利于跟蹤（good feature to track）的特征提取方法（簡(jiǎn)稱GFTT 特征）對(duì)二值圖像進(jìn)行分析，提取圖像特征點(diǎn)，計(jì)算其特征向量并進(jìn)行歸一化處理。

將標(biāo)準(zhǔn)圖像和待檢測(cè)圖像特征向量進(jìn)行匹配，獲取匹配點(diǎn)集合。采用RANSAC 算法剔除錯(cuò)誤匹配點(diǎn)，獲取新的匹配點(diǎn)集合。根據(jù)新的匹配點(diǎn)集合之間的關(guān)系，計(jì)算待檢測(cè)圖像到標(biāo)準(zhǔn)圖像間的單應(yīng)性變換矩陣并進(jìn)行變換，使得標(biāo)準(zhǔn)圖像和目標(biāo)圖像處于同一坐標(biāo)系下，正確計(jì)算出待檢測(cè)圖像上匹配點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)匹配點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算待檢測(cè)圖像相較于標(biāo)準(zhǔn)圖像在x方向和y方向的平均偏移量和相機(jī)旋轉(zhuǎn)角度。

整體預(yù)置位偏移檢測(cè)方法流程圖如圖3 所示。

2.2 預(yù)置位自動(dòng)糾偏研究

攝像頭根據(jù)偏移量和旋轉(zhuǎn)角度對(duì)攝像頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作。為了避免首次偏移量和旋轉(zhuǎn)角度計(jì)算錯(cuò)誤，采取多次旋轉(zhuǎn)，并重新計(jì)算偏移量和轉(zhuǎn)交角度。以有效校正攝像頭，保證其始終位于預(yù)設(shè)位置，以此實(shí)現(xiàn)預(yù)置位偏移檢測(cè)和校正。自動(dòng)糾偏方法流程如圖4 所示，具體執(zhí)行如下。

圖4 自動(dòng)糾偏方法流程圖

根據(jù)偏移檢測(cè)方法獲取待檢測(cè)圖像首次旋轉(zhuǎn)角度，執(zhí)行首次校正旋轉(zhuǎn)偏移角度的80%。旋轉(zhuǎn)后重新獲取攝像頭拍攝的圖像，記為新的待檢測(cè)圖像。利用偏移檢測(cè)方法重新計(jì)算新的待檢測(cè)圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像的偏移角度，若偏移角度小于旋轉(zhuǎn)前的偏移角度，則旋轉(zhuǎn)剩下的角度以實(shí)現(xiàn)攝像頭預(yù)置位校正；若偏移角度大于旋轉(zhuǎn)前的偏移角度，則說(shuō)明第一次校正出錯(cuò)，則根據(jù)第二次計(jì)算結(jié)果再次校正攝像頭，實(shí)現(xiàn)攝像頭預(yù)置位校正。此處對(duì)攝像頭進(jìn)行多次移動(dòng)操作目的是為了防止校正過(guò)程中出現(xiàn)檢測(cè)錯(cuò)誤現(xiàn)象，多次移動(dòng)能夠有效保證攝像頭恢復(fù)到預(yù)設(shè)位置。

3 應(yīng)用情況分析

2019 年起本方法成功應(yīng)用于泉州地區(qū)輔助綜合監(jiān)控系統(tǒng)，形成圖像智能糾偏功能模塊，經(jīng)過(guò)測(cè)試、試應(yīng)用及功能改進(jìn)，目前已廣泛投入使用。實(shí)際應(yīng)用情況表明，圖像智能糾偏系統(tǒng)能夠?qū)Ω綦x開(kāi)關(guān)圖像監(jiān)控場(chǎng)景偏移進(jìn)行快速、精確的自動(dòng)檢測(cè)和校正，軟件界面直觀友好，功能運(yùn)行穩(wěn)定可靠，運(yùn)行日志如圖5 所示。

圖5 圖像智能糾偏功能模塊應(yīng)用

該系統(tǒng)具備攝像機(jī)設(shè)備參數(shù)設(shè)置、通道設(shè)置、圖像實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)控、預(yù)置位設(shè)定、預(yù)置位偏移檢測(cè)、預(yù)置位糾偏等功能，偏移檢測(cè)精度為2 個(gè)像素，準(zhǔn)確率大于95%；預(yù)置位糾偏精度為3～5個(gè)像素，校正后圖像偏離小于2%，該系統(tǒng)的應(yīng)用，避免了因視頻監(jiān)控系統(tǒng)隔離開(kāi)關(guān)圖像偏移導(dǎo)致調(diào)控遠(yuǎn)方操作被迫中斷、等待現(xiàn)場(chǎng)對(duì)操作結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)的問(wèn)題，顯著縮短調(diào)控遠(yuǎn)方操作結(jié)果確認(rèn)等待時(shí)間和線路恢復(fù)供電時(shí)間。

4 結(jié)束語(yǔ)

本成果實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)控遠(yuǎn)方操作結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠確認(rèn)，保障了調(diào)控遠(yuǎn)方操作的安全性。避免了煩瑣的視頻輔助監(jiān)控設(shè)備人工檢測(cè)及調(diào)整維護(hù)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)控遠(yuǎn)方操作結(jié)果的及時(shí)確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)整，有效提高遠(yuǎn)方倒閘操作的工作效率，節(jié)省大量人力資源，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。