（电力系统及其自动化专业论文）基于视觉信息的电气防误操作若干问题的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = ；j 目= ；目= ；= _ = z _ = = = = = = = = = = ；= = = = = a b s t r a c t i ti s i m p o r t a n tt oh u m a nt oc o n q u e rn a t u r ea n dm a k es o c i a lp r o g r e s sb yu s i n g i n t e l l i g e n tm a c h i n e s t oa c h i e v ev a r i o u sm i s s i o n si n s t e a do f p e o p l e v i s i o ni n f o r m a t i o ni s t h em o s ti m p o r t a n tt op e o p l ei nv a r i o u sk i n d so fi n f o r m a t i o n ，s oe n d o w i n gt h em a c h i n e w i t hm o r t a lv i s i o nf u n c t i o ni si m p o r t a n tt or e a l i z ea 1 1a b s o l u t ei n t e l l i g e n tm a c h i n e a n di t i sa l s oag o a lo f c o m p u t e rv i s i o n ，w h i c hi st h ei n v e s t i g a t i v eh o t s p o to f c u r r e n tc o m p u t e r s c i e n c e t h e r ei sam a s so fv i s i o ni n f o r m a t i o ni np o w e rs y s t e m ，a n di ti s b e c o m i n g i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t 、i t h t h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fi m a g em o n i t o r i n g i tc a r l e n h a n c et h ef u n c t i o n so f a u t o m a t i o na n d i n t e l l i g e n t i z eo f p o w e rs y s t e m t h a tt h ea u t o m a t i c p r o c e s s i n go f v i s i o ni n f o r m a t i o nt ol i g h t e nt h ew o r k l o a do f m o n i t o r i n gp e o p l ea n dt a k i n g f u l la d v a n t a g eo f v i s i o ni n f o r m a t i o nt oa s s u r et h es e c u f i t yo f p o w e r s y s t e m t h i st h e s i sr e v i e w st h ef u n c t i o n sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fi m a g em o n i t o r i n gi np o w e r s y s t e m ，i n v e s t i g a t e s t h e n e c e s s i t y a n dp r o s p e c t sf o r a p p l i c a t i o no fc o m p u t e rv i s i o n t e c h n i q u et ot h ea u t o m a t i o no fp o w e rs y s t e m ，a n dp r e s e n t ss o m ec o m m o n l yi s s u e si n a p p l i c a t i o n b yd i s c u s s e st h er a d i c a lt h e o r ya n dt e c h n i q u eo fc o m p u t e rv i s i o n ，t h et h e s i s c o n c e n t r a t e so nh o wt ou s ev i s i o ni n f o r m a t i o nt op r e v e n ts o m ee l e c t r i cm a l o p e r a t i o n ，a n d t h e nm a k es o m e s i g n i f i c a t i v ec o n c l u s i o n e l e c t r i cm a l o p e m t i o ni st h ef a m i l i a rr e a s o n sf o rv a r i o u sa c c i d e n t si np o w e r s y s t e m i ti s m o s t l ya r o u s e db yo p e r a t o r ss u b j e c t i v ef a l s ee s t i m a t i o n ，s ow eu s u a l l ye x p e c tt o i n v e n ts o m ei m p e r s o n a lt e c h n i c a li n s t r u m e n t st op r e v e n ti t t h et h e s i sc h o o s e st w ok i n d s o ff r e q u e n te l e c t r i cm a l o p e r a t i o n s t h ef i r s to n ei st h em i s o p e r a t i o no fb r e a k e r so r i n s u l a t i n gs w i t c h e s ，w h i c hi sm a i n l yc a u s e db ye x i s t i n ge q u i p m e n t st h a tc a n td i s t i n g u i s h t h et w os t a t e so fas w i t c hw h e t h e ri ti sc o n n e c t e do rd i s c o n n e c t e d t h es e c o n do n ei st h e m i s o p e r a t i o no fi n t e r - l i n k b a r so fr e l a y s ，w h i c hi sm a i n l yc a u s e db yt h a to p e r a t o ri s d i f f i c u l tt om a s t e r yh o wt oa c c u r a t e l yp r e s so rr e m o v el a r g en u m b e r so fi n t e r l i n kb a r s ， b ya n a l y z i n gt h e s ec a u s e s ，t h et h e s i sp u t sf o r w a r dan e wi d e aw h i c hi sb a s e do ni m a g e p r o c e s s i n ga n dr e c o g n i t i o n t o p r e v e n tt h e s e t w ok i n d so fm a l o p e r a t i o n s ，a n dt h e n v a l i d a t e st h es i m p l e s tc a s ei nr e s o l v e n t k e yw o r d s ：p a a e mr e c o g n i t i o n c o m p u t e r v i s i o n i m a g em o n i t o r i n g i m a g ep r o c e s s i n g a n da n a l y s i s p r e v e n t i o no f e l e c t r i cm a l o p e r a t i o n i l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 研究臂景及研究设想 1 绪论 实现无人值班变电站是当前电力科技发展的方向，也是电力部门正在逐步推广 的一项减人增效的有力措施。国家电力公司已经规定2 2 0 k v 终端变电站和1 l o k v 及 以下变电站实现无人值班是电力行业供电企业创一流企业的必备条件之。在运行 中的2 2 0 k v 终端变电站和l l o k v 及以下变电站将大部分逐步改造为无人值班变电 站，新建的2 2 0 k v 及以下的变电站按无人值班变电站设计、建设。为了适应无人值 班变电站管理模式的推广，首先是通过远动装置实现四遥功能( 遥控、遥信、遥测、 遥调) 来对变电站进行远方调度，例如通过远动装置将无人值班变电站的开关位置 信号、继电保护动作信号以及相关的电压、电流等模拟量通过遥信、遥测装置传送 到调度站，调度人员可通过遥控装置对变电站的刀闸等设备进行远方操作，并通过 遥信装置反馈操作结果。其中存在的问题是远动信息的采集和传送装置有可能存在 故障，因此调度人员对操作心中没底，而且某些缺陷如刀闸操作不到位、变压器渗 油等无法通过远动装置检测出来，只有通过直观的观察图像的办法才能解决这些问 题。因此在四遥的基础上的人们又引入了遥视系统，并称为五遥。 另外长期以来我国电力系统都是采取的定期检修的方式，虽然能防止一些事故 的发生，但造成大量人力物力的浪费或未到检修周期就引起事故。所以采用科学的 有预见性的检修方法一状态检修就成为当前电力工作者所关心的课题。早在1 9 9 0 年国际大电网会议( c i g i 也) 上就曾指出：发送电与变电设备的维修将向着有预见 性维修变化，即根据每个设备的工作状况进行检查，根据其损坏程度来计划维修， 以便获得更高的可靠度和减少维修的人力和费用。而要实现这种预见性维修，其基 础就是电力设备的在线监测和故障诊断。实践证明，利用红外技术手段对电力设备 进行热故障诊断是在线监测的一种有效手段。随着红外探测仪器( 尤其是红外热像 仪) 的日臻完善，其应用也将越来越广泛。 目前在以上所述电力工业发展大背景下所产生的遥视系统和红外成像系统都属 于一种图像获取系统，其直接目的就是为了获得图像信息。图像信息是多媒体信息 的一种，它有其信息丰富的优点，但是也存在着信息复杂而难以处理的问题。这里 获得的图像信息是视觉信息的一部分，但不完全等同于视觉信息。所谓视觉信息， 从广义上说包括由人类视觉系统感知的信息、由人类发明的各种视觉装置所获取的 信息、以及由这些信息推导出的其它表达形式，还包括从上述这些信息中抽象出来 华中科技大学硕士学位论文 的高级表达和行为规划以及与这些信息密切相关的知识和处理这些信息所需的经 验。视觉信息有其天然的空间性，即其位置属性、空间排布特性以及各部分之间的 空间相关性f j j 。如何将获得的大量图像信息转化为高层的视觉信息并对其进行理解 显然是一个值得研究的问题。 现在对这些获取而来的图像信息的理解主要是依靠人的视觉系统( 包括人眼、 视觉神经以及大脑中的相关部分等) 。其中存在这样两个问题：一是依赖于监控人员 频频的调试和长时间监视画面，而人眼有主观性和易疲劳的弱点，特别是长时间观 察视频图像，不但对监控人员的视力会有损害，并且有异常情况对也不易发现，即 使采用长时间录像方式来弥补，也存在成本高的问题，而且失去了实时监视的意义； 二是不能快速地将各个相关画面信息进行综合判断，而电力系统是一个信息、能量 变化非常迅速的系统，过渡过程往往在一瞬间完成，所以一旦发生故障，要尽量能 在短时间内消除，否则很容易造成事故的扩大化。 计算机视觉是近年来迅速发展的- - 1 7 新兴学科，它能够自动从图像信息中提取 出感兴趣的视觉信息，并让计算机代替人来进行理解，这就给上面所提出的问题的 解决指明了一条自然的思路。设想一下：利用计算机视觉技术让计算机进行图像理 解，在这个理解过程中可以不需要人的参与。如果发生问题，直接出计算机来识别 现场画面。这样可以迅速并自动地从图像中判断当前状态，同时还可以对多个相关 图像进行综合判断，然后根据判断结果直接向控制系统发出操作指令。这不仅可以 缩短故障时间，而且还可以将监控人员从长时间的监视工作中解脱出来，进一步扩大 和提高电力系统的自动化水平。值得指出的是，虽然计算机视觉的最终目标是利用 计算机实现人的视觉功能。但是其中产生的许多技术都具有能够增强图像视觉效果 的功能，这对于人的视觉系统的处理也是相当有利的。 在电力安全生产中，电气防误操作一直是一个人们非常重视的问题，由此产生 了一些防误操作装置以及防误操作措施，例如“五防”装置和“两票三制”组织措 施。但是，防误装置对电气设备状态的检测大多是通过间接方式，有时人们对其可 靠性还存在一定的疑虑；在某些场合下，防误装置也无法或难以安装；特别是有些 防误操作，例如防误投退保护压板，现在还没有技术装置来防止。针对这些问题的 存在，除了提高现有防误装置的可靠性以外，电力系统的安全运行还是离不开运行 人员的检查巡视【2 】，当然这种巡视可以是对图像监控系统获取的图像的监视。显然， 这种完全依靠人的视觉系统的巡视方式不仅存在前面所述的问题，而且也是不符合 电力系统无人值班和状态检修等发展方向的。计算机视觉给出了种不同于传统的 依靠电信号的新的解决方案。本文就是在图像监控已经在电力系统中广泛应用的背 景下，将计算机视觉技术引入进来，并具体选取电力系统安全生产中若干防误操作 问题展开研究的。 2 华中科技大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状和发晨方向 1 2 1图像监控在电力系统中的应用现状和发展方向 图像技术是多媒体技术中的一种。随着多媒体技术的成熟，多媒体系统的应用 和发展己成必然趋势，在电力系统中的应用也越来越广泛。以图像监控技术来说， 从早期的传输模拟信号的就地工业电视系统到现在采用数字视频技术发展起来的遥 视系统，从红外行扫描器到红外热像仪，图像监控技术已经在电力系统中有了大量 成功的应用实例。在国外一些发达国家，变电站的自动化水平很高，大部分都实现 了遥视功能，在国内虽然应用比例还不是很高，但已经是变电站自动化发展的必然 趋势，并且正向着全数字化、网络化、智能化、加强与e m s 的结合、提高数据传 输效率和图像视觉效果等几个方向发展【3 】【4 】【5 1 。红外图像监控也向着采用高分辨率红 外热像仪和先进的红外图像分析手段等方向发展。 1 2 2 计算机视觉的研究现状与发展方向 计算机视觉是一个相当新但也是发展非常迅速的研究领域，并成为计算机科学 的重要研究领域之一，已取得了不少令人瞩目的进展。计算机视觉是研究用计算机 来模拟生物外显或宏观视觉功能的科学和技术，又称机器视觉、图像分析和理解【6 】。 有人把视觉定义为“根据获得的图像理解景物信息的处理过程”，一般来说这个处理 过程是人的眼睛配合神经系统以及大脑来完成的，而计算机视觉主要是利用计算机 提供的手段和方法去完成这一信息处理过程。 计算机视觉技术正广泛地应用于各个方面，从医学图像到遥控图像，从工业检 测到文件处理，从毫微米技术到多媒体数据库，不一而足。可以说，需要人类视觉 的场合几乎都需要计算机视觉。尤其是那些人类视觉无法感知的场合，如精确定量 感知、危险场景感知、不可见物体感知等，计算机视觉更突显其优越性。 1 9 7 7 年，学者d a v i d m a r r 从信息处理系统的角度出发提出了第一个较为完善的 视觉系统框架，尽管该系统许多方面不完备，但还是为广大计算机视觉工作者基本接 受，并且在很多方面取得了巨大的成功。2 0 多年来，研究者们对m a r t 基本理论框架 中所提出的各个研究层次与视觉系统的各个阶段中的各种功能模块，进行了大量的 研究，形成了图1 1 所示的基本系统： 8 0 年代初到现在，视觉研究者们对计算机视觉系统的各个部分，在计算理论、表 达与算法及硬件实现等各层次上提出了大量的方法，尽管这些方法都存在着这样或 那样的问题，或缺乏通用性，或抗噪声能力低，或存在多解性，但还是形成了一些比较 成熟的算法和系统，而且在许多方面得到了成功的应用。m a r r 视觉理论使得人们对 华中科技大学硕士学位论文 视觉信息的研究有了明确的内容和较完整的基本体系，目前仍是研究的主流，现在 新提出的理论框架均包含它的基本成分，多数被看作它的补充和发展。 咂亟丑坦匝 一 叫特征检测卜叫重建i 叫识别卜+ 。 图像 低层特征 位置和形状物体描述 图1 l 计算机视觉系统的基本结构 当前计算机视觉的研究工作主要集中在建成各种专用系统，完成在各种实际场 合提出的专门视觉任务，而从长远来说则要建成通用的系统。专用系统已经有了许 多非常成功的应用实例，例如文字识别、零件识别与定位、产品检验、车牌识别等 等。通用系统也正在建立之中，但还缺少成功的应用。 随着计算机、控制理论、模式识别、人工智能和生物技术的发展，计算机视觉 在机器人、工业检测、物体识别、卫星图像分析、医学辅助诊断、航空测绘和军事 技术中的应用将越来越大，研究方法也将逐步从直接依赖于输入信号的低层处理发 展到依赖于特征、结构、关系和知识的高层处理。 1 2 3 计算机视觉技术在电力系统中的应用现状和应用前景 目前计算机视觉技术已经在电力系统有了一些应用实例，但在总体上还处于一 种零散的，初步的应用。下面是几个比较成功的例子： ( 1 ) 火电厂煤粉锅炉火焰燃烧状态的识别 目前针对锅炉燃烧监控的研究较多，特别是数字图像处理技术在锅炉燃烧监控 中的应用研究受到了国内外的广泛关注，火焰检测技术已从过去依靠单点测量发展 到利用由几万个点组成的平面图像进行炉膛火焰燃烧状态的识别【7 】【引，并且能够根 据火焰图像实现炉膛燃烧温度分布的检测。 ( 2 ) 火电厂煤场储煤量的自动辨识计算 传统的测量方法是先用推土机对煤堆进行整形，人为地推成梯形，再进行人工 丈量。这种方法耗费大量人力、物力，测量误差也坟大。针对这一闯题，国内已开 发出多种适用于不同煤场的存煤量测量装置1 9 1 1 0 l ，其原理主要基于计算机视觉中的 主动结构光测距技术或双目立体深度测量技术。这些方法虽然比较复杂，但测量精 度高，操作方便，而且不受煤场形状、测量时间和天气( 具备照明光源的情况下) 的约束。 f 3 ) 指针式仪表表示值的自动检定 华中科技大学硕士学位论文 计算机视觉技术可以用图像分析的方法让计算机来代替人进行指针式仪表表示 值的自动判读，可以作为人工检定仪表的辅助校正，特别适用于没有配备计算机接 口和人无法进入环境下的指针式仪表的检定i l j 】【1 2 】。 除了以上这些应用外，计算机视觉技术在电力系统中还可应用于以下一些场合： ( 1 ) 电力设备红外图像识别 由于物体的红外图像与物体的表面温度密切相关，因此应用红外热像仪拍摄电 力设备的红外图像进行图谱分析是现阶段进行电力设备运行状态监测和故障诊断乃 至对整个发电厂或变电站进行温度管理的最佳手段。例如断路器触头接触不良造成 局部过热、输电线路绝缘条件的恶化造成的局部过热、变压器少油造成的局部过热 等等，均可通过红外图像进行识别。此类红外图像识别问题的识别方法主要是将电 力设备实时的红外图像与其正常运行时的红外图像进行比较，一旦发生超过阈值的 变化，就可认定它已发生故障，并可根据其红外图像来定位故障位置。 ( 2 ) 可见断口开关、刀闸分合状态的识别 刀闸开关是变电站、发电厂的基本设备，如果计算机能通过分析刀闸图像自动 识别出其实际分合状态，那么就可以对其非安全状态( 即刀闸不到位状态) 进行报 警。 ( 3 ) 继电保护压板投退位置的识别 继电保护压板的位置( 联通或开断) 随变电站和电网运行方式的变化而改变。运 行规程中规定，值班人员应掌握并保证压板位置的正确性。由于值班人员难以熟记 而造成的错误以至酿成继电保护误动作和事故的情况时有发生。但压板上难以引出 电信息，一般的检测方法将难以解决这个问题。如果采用计算机视觉技术，由摄像 机直接摄录压板屏面图像，然后利用计算机对摄录的图像进行自动识别，判别出各 个压板的位置是否符合规程要求，继而发出语音、图文警报，便可解决被判别器件 难以引出电信息的难题。 ( 4 ) 移动物体的自动识别报警和跟踪运行人员的操作过程 运用计算机视觉技术中的差分图像检测、光流法等方法进行移动物体运动估计， 在无人值班变电站中可以辅助微波双鉴探测器来进行变电站周边防范，一旦有非法 闯入者、动物窜入及其它移动物体进入就会识别出来并报警。文献【1 3 】中给出了一 个利用摄像机、图像处理器、微机组成的无人监视系统，可以用于实时检测非法入 侵者，试验表明在适当的识别灵敏度和一定的天气条件下可以达到较高的识别准确 率。另外还可运用运动视觉技术对运行人员的操作进行视觉跟踪，保证其操作的正 确性。 ( 5 ) 现场产生烟雾、火苗、喷水、冒气等异常情况的识别报警 这些情况可以从在现场某个时刻前后拍摄到的图像数据变化中鉴别出来，不过 华中科技大学硕士学位论文 有些变化并非异常情况是不应该报警的，例如早晚光线亮度的变化，这可以用某些 算法来滤除这些有规律的变化，但突发性的闪电等难以预计而又不属异常情况的变 化则难以滤除，这就需要借助其它检测设备以及监视人员的判断。现在已有其它一 些方法进行这些情况的鉴别报警，例如红外测温技术可以对火灾进行识别报警，可 以用图像识别的方法对其进行辅助判断。 ( 6 ) 电厂输煤系统的监视 利用视觉信息实现输煤系统的重点部位监视，遇到异常情况，诸如堵煤、皮带 跑偏等故障，立即自动识别出来并报警。 ( 7 ) 电力设备的带电维护 电力系统的运行在很多情况下必须进行带电操作。电力设备的带电维护对运行 人员来说历来都是非常危险的任务，尽管有特殊的工具和操作程序来保证安全性， 但还是存在较大的安全问题。文献 1 4 】给出了一个用机器手替代维修人员对输电线 进行带电维护的办法来解决安全性问题的例子，其关键主要是机器手的位置和方向 的估计。 ( 8 ) 变压器油位、锅炉水位的自动识别报警 传统的方法是采用装配在储油柜或储水箱上的油位计或水位计的标记来指示油 位或水位的高低，然后由巡视人员检查油位或水位是否超过上下限，防止发生像变 压器油表内的油大量溢出而影响变压器正常运行的这类故障。如果采用摄像机摄录 油位计或水位计的表计图像，由计算机对图像进行识别后给出油位或水位的高低量 值，既节省人力，又提高了检查的实时性。 ( 9 ) 架空输电网的故璋监测和定位 架空输电网故障的监测和定位十分重要，但由于输电网分布极广，许多地方人 平时难以到达，而且很多情况下无法用电信号进行远距离检测，所以一般的方法难 以解决这个问题。文献【1 5 】探讨了一种针对设置在直升飞机上的摄像机从高空拍摄 到的输电线图像进行图像分析的方法来实现可见故障的监测和定位。文中提到其中 主要的难点是直升飞机的平移和摄像机的旋转所造成的图像模糊给监测工作带来的 困难。结合计算机立体视觉和运动视觉技术，文【1 5 】在光线几何的基础上给出了问 题的运动模型和图像模糊的估计方案。 ( 1 0 ) 在人机界面中的应用 以虚拟现实为代表的新一代人机界面强调“人为中心”的原则，使用户能随意 运用各种感觉通道和效应通道。在计算机向用户的输出方面，从以视觉为主发展到 包括视觉、听觉、触觉、动觉、嗅觉等多感觉通道；在用户到计算机的输入方面， 从以手动为主发展到包括口、手、足、头、身体、视线等多种效应通道。在输出方 面，视觉的显示已经成熟并将长期处于主要的地位；在输入方面，由于视线跟踪技 华中科技大学硕士学位论文 术的直接性、自然性和交互性，因此成为研究的热点并具有良好的应用前景【1 6 】。所 有这些都与计算机视觉技术密切相关，而且必将改变电力系统自动化人机界面的设 计思路和实用效果。 ( 1i ) 基于图像内容的检索 图像监控系统的广泛应用对数据库系统的一个直接影响就是数据库中将包含大 量的图像数据，这种数据库也称为多媒体数据库。如何从多媒体数据库中根据给定 内容来快速的检索是一个非常值得研究的问题，这也是制定国际标准m p e g 7 的一 个目标。这个检索过程很多情况下其实是一个图像的匹配过程。这里的内容是一个 主观的概念，它是人对图像包含的有意义信息的一种理解，在输入计算机时需要先 建立语义描述。 综上所述，计算机视觉技术在电力系统中存在大量的应用场合，具有广泛的应 用范围，显示出美好的应用前景。另外，与计算机视觉相关的一些技术，如视频技 术、多媒体技术、图像数据压缩与传输、数字图像处理、人工神经网络、虚拟现实 技术、模糊数学、模式识别等等已经分别在电力系统中的各个方面得到了不同程度 的应用，这些也都必将促进各种相关技术的融合与共同发展。 1 3 论文的主要工作及章节安捧 鉴于以上的背景和现状，以及当前存在的问题和提出的设想，本文在讨论计算 机视觉的一般概念和主要应用技术的基础上，较为系统地探讨了计算机视觉技术在 电力系统自动化中的各种应用问题，并重点对其在电气防误操作中的两个应用问题 进行了较为深入地研究。后面各章安排如下：第2 章回顾了当前电力图像监控系统 的一般功能和主要特点，并说明了应用计算机视觉技术对现有图像监控系统的一些 要求；第3 章从本研究的实际需要出发，叙述和讨论了计算机视觉的基本概念和常 见的各种技术问题；第4 章和第5 章分别就电力系统中两个常见的误操作问题一误 操作开关、刀闸和误投退保护压板一进行了研究，在第3 章的基础上，结合实际情 况，讨论了相关的一些图像处理与分析的具体应用技术，并分别给出了一种基于视 觉信息处理的解决方案；最后第6 章对全文做了一个总结，得出了一些结论，指出 了进一步工作的方向。第4 章和第5 章是本文的重点。 考虑到计算机视觉还是一门比较新的学科，以前在电力系统中的应用还很有限， 为了有利于本文的展开，第3 章和第4 、5 章相关部分对计算机视觉的基本理论问题 和一些重要的应用技术进行了较为详细地介绍，并结合实际研究工作对其中的一些 问题给出了自己的见解。 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 电力系统中的图像监控 图像监控系统的发展大致经历了从2 0 世纪9 0 年代初及以前的以模拟设备为主 的闭路系统，到2 0 世纪9 0 年代中期的以模拟输入与数字压缩、显示和控制为主的 数字视频监控系统，以及最近两三年出现的利用数字摄像机和依托于网络的全数字 视频监控系统三个发展阶段。目前模拟视频监控系统的比例迅速减少，数字视频监 控系统逐渐占据主导地位，特别是新安装的全数字视频监控系统，就技术角度而言 它具有很高的先进性和良好的可扩充性，同时在许多数字视频监控系统设备中都具 有提供实现图像识别和特征提取功能的条件，为计算机视觉技术的应用提过了一个 广阔的空间和强大的软硬件支持。 在电力系统中，目前图像监控的主要方式就是变电站遥视系统，它为实现无人 值班变电站提供了一个有力的技术手段。另外由于电力系统中存在许多导电发热设 备，利用红外技术进行电力设备温度检测，并在此基础上形成红外图像监控系统， 对于电力系统的安全运行也是非常有意义的。 2 2 透视系统 随着无人值班变电站建设的深入，特别是在集控站建设的过程中，要求具有“四 遥”功能的少人值班变电站能够真正实现无人值班。为了达到这一要求，必须从技 术上将运行人员对变电站一、二次设备可靠性的疑虑降低到最低限度和将一、二次 设备可靠性问题造成的影响降低到最低限度。在多媒体技术快速发展的条件下，遥 视系统针对以上的需求应运而生。 在电力调度中应用遥视系统，可以使上级调度或集控站( 简称主站) 的运行人 员直接“巡视”变电站的各种设备和各个角落，使主管领导加强安全生产监督和管 理，及时了解现场实况，实施更加科学的生产调度和决策。遥视系统一般已包含或 能很方便的添加数字音频功能，因此可使主站的运行人员“听见”变电站各种设备 的声音，从另一个角度对设备或系统的运行工况进行判断。通过一定的接口，遥视 系统可以给电力视频会议系统的应用提供更为丰富的内容。 应用遥视系统可以实现变电站的重要设备监视和动力环境监控，如确保刀闸操 作安全的监视，变压器防漏油的监视，以及防火、防盗等环境的监视，使主站或调 度中心的运行人员能及时发现变电站的设备故障和环境的异常变化。 华中科技大学硕士学位论文 遥视功能主要包括两个方面的含义：一是在主站或调度中心可以观测到变电站 装设的多个摄像头拍摄的视频信息，视频信息可以录像和回放；二是可以在调度中 心或主站对视频采集设备进行远方的控制和调整，包括云台的上下左右旋转、镜头 的变倍变焦调光、灯光雨刷加热控制、视频切换矩阵的轮巡和设置、摄像机预置位 的设定等等。简单的说，遥视功能就是要求调度中心或主站的运行人员以及其他部 门用户可以以最佳的视觉效果观察各个无人值班变电站内的电气设备或环境【1 7 】。 遥视系统目前主要有两种实现方式：点对多点实现模式和i p 网络实现模式。点 对多点实现模式完全模仿常规远动系统的实现模式，它的最大特点是视频信号传输 到主站后仍然还原成模拟信号，可以直接上监视器，并通过视频矩阵连接多个无人 值班变电站。每个变电站在某一个固定的时刻只能传送一个摄像头或画面分割器的 一个输出信号。传送到主站的多个无人值班变电站的视频信号可以通过视频服务器 ( w e b 方式) 经压缩编码后转发到m i s 等其他网络上，也可以实现主站的视频集中 监视。i p 网络实现模式的最大特点是视频信号传输到主站后可以直接采用软件的形 式进行数字视频解压，如果不采用监视器，可以不还原成模拟信号，并可以利用i p 多播技术提高网络通信效率，而且该系统通过网络设备可以直接与m i s 等网络连 接。 遥视系统不同于传统的工业电视。工业电视是视觉器官的短距离延伸，而遥视 系统理论上可以理解为无线距离的延伸i l ”。工业电视是建立在传统的模拟系统的基 础上的，通过多根视频电缆将安装在现场的多个摄像头采集到的模拟视频信号经视 频矩阵传送到放在控制室的视频监视器上，人们可以通过控制器切换视频矩阵来选 择所关心的现场图像对应的摄像头。由于视频电缆的信号衰减较大，工业电视在不 加中继的情况下一般只能监视1 0 0 0 m 以内的范围，因此不符合无人值班变电站的要 求。而遥视系统具有远距离传输图像信号和方便的设备控制功能，是一种远程图像 智能监控系统，因此不仅为无人值班变电站的推行提供了有力的保障，而且由于与 计算机应用的紧密结合，从硬件到软件上给计算机视觉技术的应用提供了良好的前 提条件。 2 3 红外圈像监控 电力设备的故障形式表现为多种多样。因此，相应地可采取振动、温度、超声 波等不同诊断方法。但是，许多故障都表现为由种种原因引起的设备温度异常，最 后酿成重大恶性事故。所以，应用现代红外技术手段，进行电力设备运行状态监测 和故障诊断，乃至对变电站等设施进行温度管理，受到普遍重视，并在此基础上， 产生了电力设备故障红外诊断这一新技术领域【1 9 】。 华中科技大学硕士学位论文 电力工业应用红外技术来提高其设备运行可靠性、保证安全生产，是从使用红 外测温仪开始的。但是由于红外测温仪检测效率低，无法检测运动目标，容易出现 大的测量偏差等不足，促使电力部门开始研制和应用红外热像仪。 红外热像仪以被动方式探测目标( 被诊断对象) 的红外辐射，来实现对设备运 行状态进行监测和热故障诊断的目的。因此，它除了具备其它红外诊断手段所拥有 的共同技术特点( 即非接触测温，无电磁干扰，操作安全，可在不停电的情况下， 定时或连续地对电力设备进行带电在线检测，不破坏设备在运行中的真实温度分布 状态) 外，还由于这种诊断仪器采用精密光机扫描成像方式来探测目标辐射，所以， 与探测目标点温或局部平均温度的红外测温仪相比，又具有可获得目标二维温度分 布( 热像图) 、便于与设备邻近部位或不同相间进行对比诊断，以及检测效率高、省 时、省力等优点：与红外行扫描器及红外热电视相比，还具有温度分辨率及空间分 辨率高，扫描速度快，图像清晰度高，能可靠地诊断出设备中的细微热状态变化， 并能将仪器装在直升飞机上对高压输电线路故障进行巡线诊断，克服恶劣地理条件 限制等优点。另外，发展比较成熟的红外热像仪，都配备有辅助的计算机图像处理 系统( 某种程度上已属于计算机视觉系统的一部分) ，可对采集的设备热状态红外图 像进行各种计算、分析和处理，提高诊断可靠性，并建立设备运行状态管理的数据 库。 由于红外图像一般不属于人类视觉系统的处理对象，并且相对于常见的场景灰 度图像其包含的信息更为明确和简单，因此在红外图像监控系统中应用计算机视觉 技术显得更为有利和有效。 2 4 视觉信息处理对圈像监控系统的要求 由于现有的许多图像监控系统在建立时一般并没有考虑到利用计算机对视觉信 息进行自动处理，因此在实际应用计算机视觉技术时，为了达到一定的效果，往往 需要对图像监控系统进行相应的改造。下面就谈谈有关这方面的几个问题。 在目前的计算机视觉应用系统中，好的光源与照明方案往往是整个系统成败的 关键，起着非常重要的作用，并不是简单的照亮物体面已。光源与照明方案的配合 应尽可能地突出物体特征量，在物体需要检测的部分与那些不重要部分之间应尽可 能地产生明显的区别，增加对比度。同时还应保证足够的整体亮度，物体位置的变 化不应该影响成像的质量。 在计算机视觉应用系统中一般使用透视光和反射光。对于反射光情况应充分考 虑光源和光学镜头的相对位置、物体表面纹理、物体的几何形状等要素。 光源设备的选择必须符合所需的几何形状，照明亮度、均匀度、发光的光谱特 o 华中科技大学硕士学位论文 性也必须符合实际的要求，同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。表2 1 列出 了主要几种光源的相关特性。其中l e d 光源凭借其诸多的优点在现代计算机视觉系 统中得到越来越多的应用。 表2 - 1 各种光源对比 光源颜色寿命( 小时)发光亮度特点 卤素灯白色、偏黄 5 0 0 0 7 0 0 0很亮发热多，较便宜 荧光灯白色、偏绿 5 0 0 0 7 0 0 0 亮较便宜 红，黄，绿，发热少，固体能做成 l e d 灯 6 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0较亮 白，蓝很多形状 氙气白色、偏蓝 3 0 0 0 7 0 0 0亮发热多，持续光 电子发光管由发光频率决定 5 0 0 0 7 0 0 0 较亮发热少。较便宜 光学镜头相当于人眼的晶状体，在计算机视觉系统中非常重要。镜头的种类按 焦距可分为广角镜头、标准镜头、长焦距镜头；按动作方式可分为手动镜头、电动 镜头：按安装方式可分为普通安装镜头、隐蔽安装镜头；按光圈可分为手动光圈、 自动光圈：按聚焦方式可分为手动聚焦、电动聚焦、自动聚焦；按变焦倍数可分为 2 倍变焦、6 倍变焦、1 0 倍变焦、2 0 倍变焦等。镜头的主要性能指标有焦距、光阑 系数、倍率、接口等。在实际应用中，可以根据镜头种类和其性能参数选取合适的 光学镜头，以便获得具有好的视觉效果并有利于计算机处理的图像。 现在最常见的图像采集装置是c c d ( c h a r g e - c o u p l e dd e v i c e s ，电荷耦合器件) 摄像机，它由光电传感单元构成，光电传感单元的排列分为线阵排列和面阵排列两 种。c c d 的工作原理是把光能量转换为电荷，并且具有将转换得到的电荷进行存储 的能力，以及使电荷向输出电极移动的扫描能力。c c d 摄像机获得的一般是物体的 一维图像，为了方便得到物体的三维图像或进行物体三维尺寸的计算，往往需要在 通常的图像监控系统中增添摄像机。另外各种新型的性能先进的图像采集装置也不 断研究出来，如激光成像系统、计算成像系统( 其中每一个像素元或若干个像素元 对应一个处理器) ，这些都有利于计算机视觉技术的应用。 由于计算机视觉系统中采用的算法一般都比较复杂，计算量很大，这样就给计 算机视觉技术在工程中的实时应用带来了较大的困难，可以考虑在图像监控系统中 增加专用硬件的方法来解决。文献【2 0 】给出了一个嵌入式实时图像识别系统，采用 数字信号处理器来组成专用的硬件以实现图像识别算法，可以取得较高的实时性， 不过硬件的专用性也导致了其应用范围和功能扩展的限制。 l l 华中科技大学硕士学位论文 2 5 小结 本章回顾了当前电力图像监控系统的一般功能和主要特点，指出了现有的图像 监控系统给计算机视觉技术的应用提供了良好的基础条件，并从实际应用效果出发 提出了一些应用计算机视觉技术对图像监控系统的要求。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 3 1 引言 3 计算机视觉技术基础 视觉是人类观察世界、认知世界的重要功能手段。人类从外界获得的信息约有 6 0 - 8 0 来自视觉系统，这既说明视觉信息量巨大，也表明人类对视觉信息有较高 的利用率。人类视觉过程可看作是一个复杂的从感觉( 感受到的是对三维世界之二 维投影得到的图像) 到知觉( 由二维图像认知三维世界内容和含义) 的过程。视觉 的最终目的从狭义上说是要对场景做出对观察者有意义的解释和描述，从广义上讲， 还有基于这些解释和描述并根据周围环境和观察者的意愿制定出行为规划【2 “。 计算机视觉是指用计算机实现人的视觉功能一对客观世界的三维场景的感知、 识别和理解。这里主要有两类方法：类是仿生学的方法，参照人类视觉系统的结 构原理，建立相应的处理模块完成类似的功能和工作：另一类是工程的方法，从分 析人类视觉过程的功能着手，并不去刻意模拟人类视觉系统内部结构，而仅考虑系 统的输入和输出，并采用任何现有的可行的手段实现系统功能。 计算机视觉的主要研究目标可归纳成两个，它们互相联系补充。第一个目标是 建成计算机视觉系统，完成各种视觉任务。换句话说，即要使计算机能借助各种视 觉传感器( 如c c d 、c m o s 摄像器件等) 获取场景的图像，而感知和恢复三维环境 中物体的几何性质、姿态结构、运动情况、相互位置等，并对客观场景进行识别、 描述、解释，进而做出决断。这里主要研究的是技术机理。 第二个研究目标是把该研究作为探索人脑视觉工作机理的手段，进步加深对 人脑视觉的掌握和理解( 如计算神经科学) 。这里主要研究的是生物学机理。长期以 来，对人脑视觉系统已从生理、心理、神经、认知等方面进行了大量的研究，但还 远没有揭开视觉过程的全部奥秘，可以说对视觉机理的研究和了解还远落后于对视 觉信息处理的研究和掌握。需要指出，对人脑视觉的充分理解也将促进计算机视觉 的深入研究。 计算机视觉系统是个采集、表达、处理、分析和理解上述视觉信息的系统， 其中包含的内容是非常丰富的。后面各节的内容是首先从整体上讨论计算机视觉理 论，然后根据本文研究的实际需要，对系统的一些具体部分和技术作简要的介绍， 并为本文后面4 、5 章研究内容的展开提供一个铺垫。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 3 2 计算机视觉理论框架 计算机视觉理论框架研究的是有关计算机视觉整体系统结构的问题，它指导着 计算机视觉中各个具体技术的相互影响和结合。其中影响最大的是由d a v i dm a r t 教 授于8 0 年代初形成的视觉计算理论。m a r t 视觉理论立足于计算机科学，系统地概 括了心理生理学、神经生理学等方面业已取得的所有重要成果，是视觉研究中迄今 为止最为完善的视觉理论【6 】。 m r l r 认为，视觉是一个信息处理系统，对此系统研究应分为三个层次：计算理 论层次、表示与算法层次和硬件实现层次，如表3 1 所示，这三个层次又可以分别 叫做低层视觉、中层视觉和高层视觉。 表3 1 计算理论表示和算法硬件实现 计算的目的是什么?如何实现这个计算理论?在物理上如何实 为什么这一计算是合适的?输入、输出的表示是什么?现这些表示和算 执行计算的策略是什么?表示与表示之间的变换是什么?法? 低层视觉主要对输入的原始图像进行处理。这一过程借用了大量的图像处理技 术和算法，如图像滤波、图像增强、边缘检测等，以便从图像中抽取诸如角点、边 缘、线条、边界以及色彩等关于场景的基本特征；这一过程还包括了各种图像变换 ( 如校正) 、图像纹理检测、图像运动检测等。 中层视觉的主要任务是恢复场景的深度、表面法线方向、轮廓等有关场景的2 5 维信息，实现的途径有立体视觉、测距成像、运动估计、明暗特征、纹理特征等所 谓的从x 恢复形状的估计方法。系统标定、系统成像模型等研究内容一般也是在这 个层次上进行的。 高层视觉的任务是在以物体为中心的坐标系中。在原始输入图像、图像基本特 征、2 5 维图的基础上，恢复物体的完整三维图，建立物体三维描述，识别三维物体 并确定物体的位置和方向。 m a r r 的视觉计算理论是对视觉研究第一个影响较大的理论，积极推动了这一领 域的研究，多年来对图像理解和计算机视觉的研究发展起了重要的作用。但是它也 有其不足之处，其中有4 个有关整体框架的问题【2 l j ： ( 1 ) 框架中输入是被动的，给什么图像，系统就处理什么图像； ( 2 1 框架中加工目的不变，总是恢复场景中物体的位置和形状等： ( 3 ) 框架缺乏或者说未足够重视高层知识的指导作用： h ) 整个框架中信息加工过程基本自下而上，单向流动，没有反馈， 1 4 华中科技大学硕士学位论文 由于以上这些问题，特别是m a r t 视觉理论要求的三维重建目标过高而难以实现， 并且自底而上和没有反馈的被动视觉过程不符合人的视觉过程，因此人们对其提出了 怀疑，从9 0 年代初开始，建立了系列新的计算机视觉理论。例如根据人类视觉的主 动性提出的主动视觉理论。即属于目的视觉理论的范畴。人类视觉不是被动的，人会 根据视觉的需要移动身体或头部，以改变视角来帮助识别。对应到计算机视觉理论， 主动视觉理论就是研究通过主动地控制摄像机位置、方向、