（电力电子与电力传动专业论文）基于中值滤波技术的监控系统图像处理的研究.pdf

c 汉人学坝i 。学位论义 英义摘璺 a b s t r a c t i no r d e rt os a t i s f yt h ed e m a n do ft h er e f o r mo fn o b o d y - o n - d u t yo r f e w d e f e n s es u b s t a t i o n s s o m es u b s t a t i o n so nt h eb a s i so fr e a l i z i n gt h e c o m p u t e rs u p e r 、，i s i o np u tr e m o t ei m a g em o n i t o r i n gs y s t e mi n t oo p e r a t i o n t oi m p r o v et h e i ri e v e l so fa u t o m a t i o n sa n ds u p e r v i s i o n s t oo b t a i nm o r e d i r e c ta n de f f i c i e n ti n f o r m a t i o nf r o mt h el o c a t i o n s ，i tw i l lc e r t a i n l ym a k e h i g h e rr e q u e s tt ot h ei m a g e s u n d e n i a b l e 。t h ei m a g ep r o c e s s i n ga n dt h e m o d ei d e n t i f i e sa r et h ek e yp r o b l e m so f i m p r o v i n gi n t e l l i g e n c e o f s u p e n ，i s i o n i nf a c t 。t h ei m a g eq u a l i t i e sc a no f t e nb ec o r r u p t e db yi n t e r r u p t i n g f r o mo u t s i d ea n di n f l u e n c eo ft h eh a r d w a r ed e v i c e ss u c ha st h ei m p u l s i v e a n ds a l t - a n d - p e p p e rn o i s er e s u l t e db yb i te r r o r si nt r a n s m i s s i o nt h r o u g h i m a g es e n s o r s ，c h a n n e l so rd e c o d i n gw h i c hc a u s em a n yp l o t si ni m a g e s t h ee x i s t e n c eo fn o i s ed e c r e a s e st h eq u a l i t i e so fi m a g e s ，s ow em u s tf i n d ag o o dw a yt or e m o v et 1 e m w h e nz o o m i n g ，p i x e l sa r ei n s e r t e di n t ot h ei m a g ei no r d e rt oe x p a n d t h es i z eo ft h ei m a g e ，a n dt h em a j o rt a s ki st h ei n t e r p o l a t i o no ft h en e w p i x e l sf r o mt h es u r r o u n d i n go r i g i n a lp i x e l s i ti s w e l lk n o w nt oa l lt h a tt h e t r a d i t i o n a lm e t h o d si nz o o m i n ga r et h et h r e ea sf o l l o w ：l i n e a ri n t e r p o l a t i o n b i l i n e a ri n t e r p o l a t i o na n db i c u b i ci n t e r p o l a t i o n w h i c h e v e ru s e d ，f i r s tt h e o r i g i n a lp i x e l s a r ec o n f i r m e da c c o r d i n gt ot h en e wo n e s ，a n d t h e r e m a i n i n gp i x e l sa r ec a l c u l a t e db yt h ew e i g h t e ds u r r o u n d i n g s b u tw i t h t h ei n c r e a s i n go ft h em u l t i p l eo fz o o m i n g ，t h eo p e r a t i o nb e c o m eal o ta n d t h ee d g e sw i l lb eb l u r r e d c o n s i d e r i n gt h ea c t u a l i t yt oi m p r o v et h et e c h n o l o g ya n de f f i c i e n c yo f t h es y s t e m ，t h ea u t h o rh a se x p l o r e da n dc o n s u l t e ds e r i a lp r o b l e m sa n d f o u n dt h er e s u l t st ot h e mt h r o u g hs t u d y i n gt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e so f d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ll i t e r a t u r e sc o r r e l a t i n gt oi m a g es u p e w i s i o no f p o w e rs y s t e ms i n c et h en o i s ea r es c a t t e r i n gi ni m a g e s a n dm e d i a nf i l t e r s a r ep a r t i c u l a r l ye f f e c t i v er e m o v i n gs a l t - a n dp e p p e ra n di m p u l s i v en o i s e ， i 武汉大学硕士学位论文 英文摘要 w ep r e s e n t san e wi d e at oc l e a nn o i s eb yu s i n gs o f t w a r eo nt h eb a s i so f t h eh a r d w a r ed e v i c e sh a v i n gag u a r a n t e ew i t ht h e m m e d i a ns m o o t h e r s a r ew i d e l yu s e di ni m a g ep r o c e s s i n gt oc l e a ni m a g e sc o r r u p t e db yn o i s e a l t h o u g ham e d i a ns m o o t h e rc a nb ed e s i g n e dt o “b e s t ”r e m o v et h en o i s e ， c w ms m o o t h e ro f c e np r o v i d es i m i l a rr e s u l ta tam u c hl o w e rc o m p l e x i t y a n dc a ns i m p l yo b t a i n t h em u c h d e s i r e dl e v e lo fs m o o t h i n g s ot h e n e w - t y p er e m o v i n gn o i s ew i t hc w m i sp r e s e n t e d a tt h es a m et i m e ，w e i g h t e dm e d i a n sh a v eb e e na p p l i e dt os i m i l a r p r o b l e m sr e q u i r i n gi n t e r p o l a t i o n t oi n t e r p o l a t et h ep i x e l s ，t h em e t h o d k n o w na sp o l y p h a s e i n t e r p o l a t i o ni nt h es u r r o u n d i n go f2 2i su s e d i nt h i sm e t h o d ，f i r s ta ne m p t ya r r a yi sc o n s t r u c t e dw i t hd e s i r e dt i m e s t ot h en u m b e ro fr o w sa n dc o l u m n sa st h eo r i g i n a l ，a n dt h eo r i g i n a lp i x e l a r ep l a c e di n t oa l t e r n a t i n gr o w sa n dc o l u m n s t h e nt h er e m a i n i n gp i x e l s c a nb ec a l c u l a t e db yu s i n gt h ew e i g h t e dm e d i a no ft h ef o u rn e a r e s tp i x e l s a ti t sf o u rc o r n e r s a tl a s t c y c l i n gi nt h i sw a yw i l lf i n i s ht h ei n t e r p o l a t i o n t h ea d v a n t a g eo fu s i n gw e i g h t e dm e d i a ni ni n t e r p o l a t i o no v e rt r a d i t i o n a l l i n e a rm e t h o d si sb e t t e re d g ep r e s e r v a t i o na n dl e s so fa “b l o c k y ”l o o kt o e d g e t h en e wi d e a sh a v eb e e nd e m o n s t r a t e db yt h es i m u l i n ka n dp r a c t i c e a n dt h e i rp s n ra r eb e t t e rt h a ni h et r a d i t i o n a ii d e a s t h er e a l i z a t i o no f i m a g ep r o c e s s i n go ft h es u p e r v i s i o ns y s t e m i sc o n s t r u c t i v et ov i d e o c o l l e c t i n g e v i d e n c e i m a g ep r o c e s s i n g a n dr e m o t es u p e r v i s i o n 【k e y w o r d 】d i g i t a li m a g es u p e r v i s i o ns y s t e m 、i m a g en o i s ec l e a n i n g 、 i m a g ez o o m i n g 、m e d i a nf i l t e r 、w e i g h t e dm e d i a nf i l t e r 武汉大学电气工程学院 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的申请五垂兰学位的论文是本人在导师的指 导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 程量 日期：另呻3 年f 月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文大规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权武汉大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密日，在z ，年解密后适用本授权书。 本学位论文属于不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名 导师签名 缎煎， 匀眵 日期：刎；年 日期： 哆年 s 耳| 1 日 f 玛8 b 汉人学坝i 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的目的与意义 随着变电站自动化运行水平的提高和减人增效政策的推广，无人值班 化和减人值班化的变电站越来越多，一般可通过”三遥”或”四遥”系统完成 这些变电站电气运行状态的监视、检测、控制和调节。但这类系统只是获 取远方电气参数、丌关、刀闸等设备例行巡视，甚至r t u 遥控操作时执行 机构实际动作是否到位等情况都难以通过上述系统获得。 随着电网的不断发展、计算机及通信技术的不断进步，发电厂、变电 站的远程图像监控系统的”遥视”功能正作为调度自动化”四遥”功能的补 充，得到广泛应用。为加强对重要变电站及无人值班变电站的监视，非常 有必要建立图像监控系统，对各变电站全站现场进行监视。 图像监控系统将变电站的各个被监视点，如主控室全貌、设备情况、 断路器、隔离刀闸等现场实际状态通过远程图像监控系统传输到集控站或 地方调度中心，对重要变电站，局领导及调度人员可通过实时图像对变电 站进行监视，对于无人值班站可减少巡检人员运行强度，弥补变电站取消 运行人员而直观性不强的弱点，同时加强对变电站的安全、保卫、火警的 监视，提高了变电站运行水平。 为了监视无人值班变电站的设备运行和操作状况，保障无人值班变电 站的安全运行，并能解决防盗、防火问题，监控中心人员必须通过一定的 冈像处理操作来对所获得的图像进行分析，从而做出诈确的判断。故获得 高清晰的画面是问题的关键所在。然而在实际操作中，图像的获得与传输 常常会造成图像不同程度的降质，具体来讲，大型的多摄像机监控系统至 少有一半会碰到视频干扰问题，这些干扰一般都是由随机和周期性的噪声 引起的，较严重的则是由交流电引起的。通常监控人员通过画面分割器实 现屏对多摄像点的实时监控，并随时对画面进行切换控制，为了更清晰 地观察到故障点的情况，常需对没有噪声干扰的图像进行局部放大，定点 删疮现场某点的图像情况并以此为判断依据。一至以来，中值滤波器以其 对点噪声具有优异抑制能力的特点而备受关注。本文所研究的内容即是讨 论如何运用中值滤波的思想进行图像消噪及缩放处理操作，特别是在放大 图像的同时，既消除了噪声，同时又很好地保持其边缘特性。从而给监控 1 武汉人学f i | i ! i ：学位论文第一章绪论 人员提供了较高质量的图像，更利于电力系统的可靠运行工作。 1 2 国内外技术应用的现状与发展趋势 l _ 2 1 图像监控系统的发展 传统的监控系统主要在商业和金融业应用较多，现在随着经济的发展 和科学技术的进步，社会生活其它方面对监控系统的需求也越来越多。公 路、铁路、学校、厂矿、电力、居民小区等各行各业都需要配备安全保卫 和报警系统。同时对监控系统的技术要求也越来越高。 伴随着数字技术革命的不断冲击，视频监控系统也发展壮大起来。在 这短短的几十年的发展历程中，已实现了从最古老的闭路电视监控系统逐 渐向数字化、多媒体化、智能化和网络化系统发展的过程。 1 本地模拟信号监控系统 本地图像监控系统主要出摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成， 利用模拟视频线将来自摄像机的视频连接到监视器上，利用视频矩阵主机， 采用键盘进行切换和控制，录像采用使用磁带的长时间录像机：远距离图 像传输采用模拟光纤，利用光端机进行视频的传输。 传统的模拟闭路电视监控系统有很多局限性：首先，有线模拟视频信 号的传输对距离十分敏感；其次，有线模拟视频监控无法联网，只能以点 列点的方式监视现场，并且使得布线工程量极大；另外，有线模拟视频信 号数据的存储会耗费大量的存储介质( 如录像带) ，查询取证时十分烦琐。 严格地说，这旱使用的应称为“监视”而非“监控”。因为此时的系统 虽然可以通过镜头的切换来实现多场景监视，但由于监控信息以模拟信号 的形式进行传输，整个监控过程值班人员及所有的异常判断均要出人工实 现，几乎无智能化可谈，而且通过录像带保存监视记录实在是一项很庞大 的工作。随着技术的进步，这种古老的监控系统已经逐渐被淘汰。 2 数字化图像监控系统 随着数字化技术的发展，人们开始从过去的模拟处理方式转向数字处 理方式使用计算机处理图像信号。利用计算机的数据处理能力与显示器 的高清晰度，将视频信号通过视频采集卡数字化后由计算机进行显示、存 储和处理，大大提高了图像质量，但控制与切换仍采用传统的单片机方式。 尽管它有良好的人机界面，较好的稳定性，但还是不能称为真f 的数字图 2 武汉人学顺1 1 学位论文第一章绪论 像监控系统。其根本原因在于系统设计的出发点不是基于计算机，而是基 于传统模式，只是在原有基础上加以改进，并且传统单片机系统固有的弊 端并没有克服，通信协议的多样化与专业化很难统一，导致已有的计算机 资源远远满足不了多种设备的要求。另外计算机运行速度的限制，加上数 字视频的巨大数据量，使得一台p c 机不能同时处理很多的视频信号，很难 组建大型的监控系统。 3 多媒体远程数字图像监控系统 数字视频压缩编码技术的只益成熟及多媒体传输技术的不断发展，为真 正意义的多媒体远程监控系统的发展提供了条件。基于网络的多媒体远程 监控系统完全打破了传统模拟监控系统的限制。随着p c 机功能的r 益强 大，计算机对监控图像、声音的处理越来越迅速，经计算机压缩处理的声 音、视频信息能方便存储于本机硬盘上。并能传输到网络中供客户端查询 检索。同时依托不断发展的网络技术和通信技术，对监控信息的共享和交 互查询也趋向更广泛的范围内。公用电话网( p s t n ) 、数字数据通信网 ( d d n ) 、综合业务数字网( i s d n ) 、各种类型的l a n 、以及迅猛发展的 i n t e r n e t 将全球联为一体。借助这些计算机通讯网络，远程监控系统的监控 区域也越来越广，从局域到城域到广域，从一个城市到另一个城市，利用 基于网络的多媒体远程监控系统，彻底摆脱了以往模拟监控系统的区域限 制，相隔干旱也能完成以往在监控现场爿唷完成的监控操作。 随着计算机技术及网络技术的迅猛发展，世界掀起一股强大的数字化、 网络化浪潮，对于公安、电力安防行业的发展，必须经历模拟数字混合的 阶段，但是最终的趋势必然是全面数字化，即视频在前端进行数字化、网 络化，采用嵌入式网络摄像机，利用网络进行传输，采用分布式存储系统， 模块化结构，完成视频监控任务，是近代科技发展的必然趋势。总得柬说， 陔新系统的优势在于： ( 1 ) 对目标进行自动监控： ( 2 ) 以多媒体计算机为控制中心，通过系统软件实现控制界面的可视化 及控制环境的多媒体化，可以方便地实现智能化控制，是一个综合 的，智能化的监控系统。 ( ：j ) 整个系统实现模块化管理，将视频模块、云台镜头控制模块、行动 输出模块等通过计算机集中管理，是一个以软件为核心的系统，具 3 武汉人学砸i ：学位论文第一章绪论 有灵活的管理模式，大大减少了工作难度，便于操作和升级。 ( 4 ) 是一个分布的网络结构。 1 2 2 数字图像处理技术的发展 数字图像处理起源于2 0 世纪2 0 年代，当时通过海底电缆从英国的伦 敦到美国的纽约采用数字压缩技术传输了第一幅数字照片。此后，由于遥 感等领域的应用，使数字图像技术逐步受到关注并得到相应的发展。1 9 6 4 年美国喷射推进实验室( j p l ) 使用计算机对太空船送回的大批月球照片处 理后得到了清晰逼真的图像，这是这门技术发展的重要里程碑，它标志着 第三代计算机问世后数字图像处理得到普遍应用。此后，图像处理在空问 研究方面得到了广泛的应用。2 0 世纪7 0 年代初，出于大量的研究和应用， 数字图像已具有自己的技术特色，并形成了较完善的学科体系，从而成为 一门独立的新学科。但是，数字图像处理技术的高速发展及广泛应用只有在 现代计算机技术、数字信号处理与通信技术的支持下彳有可能。目前，数 字图像或数字视频作为现代信息技术的重要技术，已经应用到各个领域， 如通信、航天航空、遥感遥测、生物医学、农业、军事、安全等方面。随 着信息高速公路、数字地球概念的提出以及i n t e r n e t 的广泛应用，信息传 输中的非话业务也会急剧增长。其中，图像信息以其信息量大、传输速度 快、作用距离远等优点使其成为人类获取信息的重要来源及利用信息的重 要手段。今天，多学科的交叉、融合使数字图像处理学科与技术逐步向其 他学科领域渗透，并为其他学科所利用是科学发展的必然。在信息社会， 数字图像处理学无论是在理论上还是在实践上都存在着巨大的潜力。 1 2 3 中值滤波技术的发展 早期进行图像处理人们常采用线性滤波的方法，尽管线性滤波方法具 有分析简单，易于实现的特点，但是它会使图像的边缘变得模糊。由于人 类视觉系统的第一处理是非线性的，所以人们便把研究的重点转移到对非 线性滤波的方法的研究上去了。1 9 5 8 年，由维纳( w i e n e r ) 提出了非线性滤 波理沦，其后人们在浚领域一直进行着不獬地研究。7 0 年代初由t u k e y 提 出了种非线性滤波方法一中值滤波法，该法是基于次序统计完成信号恢 复的一种典型的非线性滤波器。这种滤波器的优点是运算简单而且速度快， 存滤除叠加白噪声和长尾叠加噪声方面显示出了极好的特性。中值滤波器 4 武汉人学坝i ：掌位论文 第一章绪论 在滤除噪声( 尤其是脉冲噪声) 的同时能很好地保护信号的细节信息( 例如， 边缘、锐角等) 。另外，中值滤波器很容易自适应化，从而可以进一步提高 其滤波特性，这样，它就非常适用于一些线性滤波器无法胜任的数字图像 处理应用场合。其后，中值滤波技术又得到了极大的发展。1 9 8 8 年，l i n 和 w i l l s o n 提出了长度自适应的改进型中值滤波器，1 9 9 4 年f l o r e n c i o 和 s c h a f e r 提出了利用局部信号统计特性的中值滤波器，这些滤波器在性能上 都比传统的中值滤波器有所改善；1 9 9 4 年，h a r d i e 和b a r n e r 提出了r c r s 滤波器：1 9 9 6 年，a b r e u 等人提出r o o f 滤波器，其输出为输入信号和r o m 的加权和，接着，r u s s o 和r a m p o n i 、z h a n g 和w a n g 又分别于1 9 9 6 年和1 9 9 7 年提出了基于模糊逻辑的滤波器，其滤波效果虽有所增强，但与其它模糊 系统样模糊规则的产生有一定的难度。 1 3 本文研究的主要内容 本论文跟随数字图像系统的发展方向，通过查阅国内外大量的文献资 料，提出了一种可行的高效的图像增强技术的设计方案。 本文所研究的主要内容有以下7 个方面： i 研究了变电站数字图像监控系统的现状和发展趋势，对目前与图像 监控相关的领域和实际应用进行了技术分析，提出了适合于目前电 力系统变电站的种新型远程数字化图像监控系统。 2 对监控系统的硬件结构进行分析设计，总结出多种可能造成图像干 扰的因素并提出相应的解决方法。 3 对监控系统的软件结构进行分析设计，重点分析了数字图像处理模 块的功能及其实现过程。 4 将各种中值滤波算法进行分析比较，提出运用中值滤波方法进行图 像的消噪处理，通过算法仿真其滤波效果进行了方法验证。 5 为了更好地缩放原图并在保证图像质量的情况下，将改进型中值滤 波的思想引入到传统的插值放大方法中，提出了一种新型的图像放 大的新算法，通过算法仿真实验进行验证。 6 根据本系统所述的各项功能、结构和要求特点，对系统的软件平台 的图像处理模块进行研究、丌发、测试。 7 对所做的工作进行总结和改进，并对未来发展酊景进行展望。 武汉人学t i s , if j 学位论史第二章数# t w 像瓶拧系统的组成 第二章数字图像监控系统的组成 2 1 监控系统结构概述 2 1 1 系统结构 发电厂、变电站安全监控系统主要由数字化监控网络组成。系统主要由 摄像输入、控制云台、信息存储、编码压缩、信号传输、信号切换控制、显 示与报警等部分组成。系统常采用分层、分模块结构，各个模块只与控制模 块打交道，避免了不同模块的耦合，减少了系统中出现问题的可能性：独立 的模块可能通过定义好的接口交互数据信息，使得开发者可以根据具体模块 的特点，选择最佳的丌发工具，从而降低系统的难度，具体说来，各层的功 能如一f ： 第一层：图像采集层。主要出c c d 摄像机与图像采集卡等组成，该层是 数字图像监控系统的最低层，具有视频信号的采集、图像数据的压缩、接受 来自控制中心的控制信息并产生相应操作等功能。 第二层：传输通信层。包括视频传输的通道、通信接口以保证信息的相 互传递。压缩编码后的图像数据和控制信号通过数据复用后一起由网络传输 到主控中心或者其他分控站点。 第三层：中心控制层。包括主控计算机、显示、存储和打印设备，主要 完成在监视器或电视墙上显示各信息采集层传来的信号、实时的监控现场： 存储和打印相关数据，资源共享：完成对信息采集层的管理和控制。 2 1 2 系统功能分析 1 被监控对象 巡视发电厂、变电站厂区内环境； 观察厂区设备工况。如断路器、隔离刀闸、变压器、互感器、避雷 针等运行时的实际状态： 观察厂区各没备的安全状况。如设备外观有无损坏、绝缘瓷瓶有无 断裂及其污秽程度： 观察发电厂、变电站重点厂区或无人厂区的设备及全貌的安防与火 警。如大门、控制室、高压室、电热室、继保室、低压变流室等： 6 武汉人学颇l 。学位论文 第二二章数图像! 睫拧系统的组成 配合其他系统( 如变电站综合自动化系统等) 的工作： 2 系统功能 实时图像监视功能。通过摄像机实现现场图像的实时采集传输，在 监控主站上灵活、方便、清晰、实时地监视任一路、任一方向的摄像画 面。 视频控制功能。中心控制台可以通过远端设备的串行口驱动云台、 镜头、控制画面分割器，实现摄像机无死区监控，监控器或监控墙的多 画面操作。 告警联动功能。当监控远端出现告警现象时，监控中心可以根据预 先定义的策略产生联动，自动切换到故障的场景，并且以字幕或声音形 式报警，同时启动录像系统进行录像。 历史查询功能。对已产生的告警、通讯线路状态以及操作员的操作 均有历史记录。所有这些数据都可以查询并以各种统计报表的形式打印 出柬。 分布式结构。远端系统分散安装，监控中心采用插件式结构，功能 分布，有利于系统扩充和升级。 控制权限功能。包括优先等级和适用权限的设置，不同等级的操作 员和用户具有不同的系统访问权限，保障了监控系统的安全控制。 以上是监控系统的一般功能，为了更好地发挥图像监控的优势，还可将 以上功能进行扩展： 为了保障变电站故障报警的可靠性，还可将图像监控系统与常规r t u 设备相联，互为各用。 将常规图像监控系统与m i s 系统进行无缝连接，使处于网络上的相 关计算也可用作监控机实现对图像系统进行操作，察看现场设备状 况、实景。 能与一些电力设备互连，已录和上报这些设备的运行情况。 系统可与互联网连接，将图像上网。已经联网的计算机在系统授权 下，可观看实时的图像或浏览历史图像记录。 武汉人学硕l j 学位论文 第二章数，| 鳘【像! 睫挣系统的组成 2 2 系统硬件设计 2 2 1 系统硬件结构 一般的监控系统由摄像机采集标准信号，经画面分割器的分割和组合进 入视频切换矩阵主机，进入矩阵的信号可以是单一信号也可是多路信号；矩 阵主机的输出分别接入监视器和监控中心计算机。即视频信号通过计算机的 视频采集压缩卡接入监控中心计算机进行显示和图像处理。矩阵主机的串行 接口可以将来自主控计算机的控制信息发送至解码器用以控制云台、镜头 等。简言之，此法中从摄像机到计算机之间仍为模拟信号，采用视频电缆传 输，在经过计算机的视频采集卡压缩编码处理后变成数字信号进行处理和远 程传输，计算机在此作为图像监控系统的核心，充分发挥了其高运算速度和 实时图像处理能力。该监控系统总体结构框图如图2 - 1 所示，其系统一般主 要由监控前端、控制中心和通讯网络构成。 辞i 嚣蕃 ! ；嚣 产匝卫 鼍羹u 洲-i 卜一 监挖现埔l 一、 j 二 一一 、 图2 1 监控中心遥视系统配置图 ( 1 ) 监控前端：前端系统主要由信号采集设备、监控网关设备和可遥控动 作设备几大部分组成。主要完成图像的采集、编码和传输、摄像机的控制和 报警的输入输出工作。如图2 2 所示： a 信号采集设备：包括视频、报警信号采集及其他模拟量采集设备。 主要由摄像机和矩阵切换器等组成，完成现场图像的采集工作：报警设备主 要由防盗报警探头、紧急按钮、防火探头、门磁丌关、周边防范、环境监测 8 武汉人学倾k 学位论文 第一二章数宁图像监控系统的组成 等设备组成，用于采集监控现场的视频图像、非法侵入、温度、湿度等数据 和信号。 b 监控网关设备：是整个系统中最重要的设备，负责将采集到的视频、 报警等模拟信号编码、压缩为数字信号，按照标准的协议通过网络进行传输。 同时，还可以将主控p c 端下发的数字控制命令转化为模拟信号指令发给机 电、报警等前端设备。 发 r 也 厂 或 变 i u 站 现 场 图2 2图像前端监视模块及控制系统 c 可遥控动作设备：包括电动变焦镜头、全方位云台、室外电控防护罩， 射灯丌关等其它可控机电设备，这些设备按照中心控制端发来的遥控行动指 令进行动作。监控中心通过解码控制器来发送控制命令，即监控中心计算 机发出的控制命令和编码信号经由解码器解码成对摄像机、镜头、和云台等 具体硬件设备的控制信号。中心控件解码器主要安装在摄像机和云台附近， 其硬件是以单片机系统为中心，出r s 4 8 5 接口电路、译码电路、光电隔离电 路和驱动电路、电源和输出功率等外围电路组成。同时一般解码器都有防雷 击功能，机内设有防雷电路和自动复位电路。其工作状态下结构框图如图 2 3 所示。 实现的调控操作有：控制云台、镜头、变焦变距。即调控摄像机参数， 如上、下、左、右、摇镜头、镜头拉近，拉远、光圈大小、聚焦等，使摄入 的画面满足要求，亮度适当、对象清晰、图像质量符合要求。每个摄像机控 制器可以控制十六路云台和十六路镜头，云台的转动及可变镜头的控制也可 武汉人学坝i 学位论义第- 二帝数，幽像髓挎系统的纰成 出摄像机控制器通过本地端主处理器的串口接收监控中心的指令来控制。 + 镜头诵姚 + 调光嘲 图2 3 解码控制器控制电路 ( 2 ) 控制中心：主控中心主要出主控计算机、显示器或电视墙、数掘存储 数据库、打印机等配件组成。它是整个数字化远程监控系统的大脑，负责整 个系统的管理和控制工作，接收来自各远端监控现场的监视图像、报警信号 和各种设备的状态数据，并向各远端监控现场各种遥控动作设备发送动作指 令。 远程图像监控系统中后端监控设备主要由主控中心、多媒体分控和网上 用户构成，这样，在以太网上的计算机均可配置成监控主机，根据分配的权 限，用户可同时监控多个前端，不同用户也可同时监控同一前端，具有很大 的灵活性。监控中心主机除转发视频数据外，还完成对整个监控系统的管理 和控制，如优先权、用户权限、同志、控制胁调、报警记录等。其设备构成 的框图如图2 - 4 所示： 图2 4 监控中心设备构成框图 系统主控中心采用高性能计算机及监控软件用以处理各种信息，主要完 成系统的用户管理：变电站的分组：遥控优先级设置和调度：完成监控动作， 功能强大。它可以切换选择远端监控终端任一图像采集系统的监视及控制， 可以在主站对视频信息采集设备进行远方控制和调整，包括云台的上下左右 旋转、镜头的变倍变焦调光、灯光控制、多路视频的轮巡和设置等。 1 n 武汉人学f 甄| i 学位论义 第一带数1 一| 璺| 像临挖系统的组成 分控主机可以是网络上的普通p c 机，用监控软件或因特网浏览器实现 图像监控功能，投资较低( 但是出于网络安全考虑，监控软件的设计会比较 复杂些) 。在调度所和变电站建立数个监控终端；在电力系统局域网上也为 局领导、总工和相关处室建立了分控终端，这些监控终端无须专门微机和铺 设视频控制电缆，所用界面为标准的互联网浏览器；同时，还将系统嵌入 到电力系统网站的主页内，只要是授权用户就可方便地访问。这些功能的实 现对软件系统的要求比较高，但是因为运行稳定，用户界面友好易用，功能 较强，特别是由于采用了w e b 技术和标准，用户访问的便捷性和允许独立访 问是其它类似功能系统所不具备的。在标准上与m i s 等其他系统兼容，也符 合行业信息系统未来的标准。 ( 3 ) 通讯网络：传输系统是远程监控系统的关键组成部分，负责各种信 号和指令的上传下达。本系统可以通过现有以太局域网、i n t e r n e t 完成数 据传输，可借助数字光纤、数字微波、无线扩频、d d n 等多种远程数字传输 媒介，将图像、数据信号进行压缩编码传送到中心控制端，同时将中心端发 出的控制信号传回远端基站。 为讨论清晰起见，系统采用分层结构来摧述网络模块，系统网络模块主 要由4 部分组成。即网络传输层、传输控制层、数掘表示层和用户应用层。 荇层的功能如图2 5 所示： 片 厂j 应辟j 层 网络f 0 输层 数据嵌_ i 层 图2 5 数字图像监控系统远程传输分层结构图 第一层：数据表示层：主要负责数据的处理，如原始数据的采集、显示 和存储。对于有些媒体，如视频，是以一定的压缩格式传输的，编码后的数 据需要凋用相应的解码器解码彳能够恢复出原始数据。 汉人学坝l 学位论史第二章数7 例像雌控系统的组成 第二层：网络传输层：它包括网络通信的硬件设备和实现网络协议的软 件。主要负责主控服务器和客户机之间数掘的传输。对它丽言，数掘本身没 有任何意义，需要传输控制层来解释。它只是提供一个可靠的数据传输通道， 将数据准确无误的传输到另一端。 第三层：传输控制层：主要负责数据链路的控制如网络连接的建立和 拆除，传输中的流控制等。同时它负责解释底层收发的数掘，确保数据和控 制命令都能够有效的传输。此外，它还负责多点之蚓的管理和维护。 第四层：用户应用层：它处于整个系统的最外层，直接面向具体的用户。 2 2 2 硬件安装要求 发电厂、变电站监控系统的工程设计和旌工是很重要的。如果工程设计 不合理或施工质量不能保证，则很难发挥系统应有的作用，甚至形同虚设。 一般地，系统安装时应考虑如下一些因素： ( 1 ) 抗干扰。由于变电站的电磁干扰较严重，必须有良好的抗干扰措施， 1 1 j 确的接地方法，否则会严重影响图像质量，甚至引起设备损坏。 ( 2 ) 防鼠咬。应该采用铠装等方法保护电缆免受鼠咬。 ( 3 ) 防雷电。设备及安装应具有抗雷击保护措施。 ( 4 ) 摄像机的安装应台理选择位置，使用较少的摄像机监视较多的目标， 以达到监视无死区出现，并应考虑维护方便的要求。 r 5 ) 入侵报警和火灾报警探测器的安装应选择有效的位置，并应注意免受 干扰和误触发。 2 2 3 硬件结构对系统图像质量影响的分析 j 关键技术指标 在监控系统中，图像质量取决于摄像机的原信号和传输系统设备的质 鼙。在视频传输质量诸多指标中，频率特性是个关键指标。所以在选择设 备、系统设计、安装髑试中，部应注意保证传输系统的频率特性。 这垦提出三点供参考： 电缆只是视频传输系统中的一个”元件”或部件，电缆特性决定了它 本身不是一个完善的高保真视频传输设备，但又必须用它，这就要求电缆与 其他设备一起。共同构成一个高保真视频传输系统设备。 工程上，主观评价标准仍可以应用，但应该充分考虑其局限性。特 1 2 武汉人学顺l 。学位论义 第二章数一例像忱拄系统的纰成 别是在选择设备时要慎重。不要说电缆的远距离传输，就是许多矩阵主机生 产厂家，开始就是用看图像质量来评价的，结果凡是这样做的，没有一个能 够通过技术检测标准的，而且指标差的很远。 工程上，测试设备和传输系统的频率特性，是关系到系统图像质量 的一个十分重要的问题，而图像质量又是监控工程”最显跟的指标”。 2 图像降质原因分析 设备的正确安装与其良好维护是保证监控系统正常运行的关键。然而， 在实际的监控系统中，由于现场环境不好，摄入的图像常常受到粉尘、烟雾等 的干扰素，经视频线传至监控中心的图像信号常常不尽人意。在图像处理中， 由图像传感器、信道传输、解码器处理等所产生的脉冲噪声，会在图像中引 起黑一自点子( 俗称椒赫噪声) 。总得来说，造成图像质量降低的原因可大至 归为以下几类： ( 1 ) 图像产生雪花，画图跳动，并存在横条或竖条干扰。 ( 2 ) 监视器的图像对比度太小，图像淡。 ( 3 ) 图像清晰度不高、细节部分丢失、严重时会出现彩色信号丢失或色 饱和度过小。 ( 4 ) 色稠失真。 通常监控系统的视频图像主要通过视频线进行传输，在使用同轴电缆传 输视频信号时无论是在室内还是在室外，都会碰到一些潜在的问题。室内 传输系统经常碰到的问题有： ( 1 )同轴电缆两端的”地电压”不一致； ( 2 ) 如果同轴电缆需要穿过或经过配电设备和机械设备，视频信号就 很可能会受到各种强电磁场的影响。 在室外传输系统中，除了上述两个问题外，还要考虑雷电和其它高压噪 声源等( 变压器、变电站、汽车等) 的影响。具体原因可大至归结为以下几 点： ( 1 ) 视频传输线的质量不好，特别是屏蔽性能差( 屏蔽网不是质量很好的铜 线网，或屏蔽网过稀而起不到屏蔽作用) 。与此同时，这类视频线的线电阻 过大，因而造成信号产生较大衰减也是加重故障的原因。此外，这类视频线 的特性阻抗不是7 5q 以及参数超出规定也是产生故障的原因之一。由于产 生上述的干扰现象不定就是视频线不良而产生的故障，因此这种故障原园 武汉大学俩一l 学位论文第一二章数字图像犄控系统的组成 在翔断时要准确和慎重。只有当排除了其它可能后，才能从视频线不良的角 度去考虑。若真是电缆质量问题，最好的办法当然是把所有的这种电缆全部 换掉，换成符合要求的电缆，这是彻底解决问题的最好办法。 ( 2 ) 视频干扰问题。大型的多摄像机监控系统至少有一半会碰到这类问题。 这些干扰般都是由随机和周期性的噪声引起的：较严重的则是出交流声引 起的。交流干扰一般表现为贯穿整个屏幕的横线，位置在画面的三分之一处 或三分之二处。如果摄像机是同步的，或采用了电源锁相技术，交扰横条就 会固定出现在一个位置上：如果摄像机未使用线路锁定技术，交扰横条就会 不断地从屏幕下方滚动到上方( 或反之) 。干扰条带往往伴随着严重的图像 撕裂，有时屏幕边缘还会出现变幻不定的水平拉伸现象。导致这种现象出现 的主要原因是水平同步信号上的高电压。另外，如果接地回路上的电压很高， 屏幕上的画面将会不断翻转和滚动。 ( 3 ) 由于供电系统的电源不“洁净”而引起的。这罩所指的电源不“洁净”， 是指在f 常的电源( j o 周的f 弦波) 上叠加有干扰信号。而这种电源上的干 扰信号，多来自本电网中使用可控硅的设备。特别是大电流、高电压的可控 硅设备，对电网的污染非常严重，这就导致了同一电网中的电源不“洁净”。 比如本电网中有大功率可控硅调频调速装置、可控硅整流装置、可控硅交直 流变换装置等等，都会对电源产生污染。这种情况的解决方法比较简单， 只要对整个系统采用净化电源或在线u p s 供电就基本上可以得到解决。 ( 4 ) 系统附近有很强的干扰源。这可以通过调查和了解而加以判断。如果 属于这种原因，解决的办法是加强摄像机的屏蔽，以及对视频电缆线的管道 进行接地处理等。 ( 5 ) 由于传输线的特性阻抗不匹配引起的故障现象。这种现象的表现形式 是在监视器的画面上产生若干条怄j 距相等的竖条干扰，干扰信号的频率基本 ：是行频的整数倍。这是由于视频传输线的特性阻抗不是7 5q 而导致阻抗 失配造成的。也可以蜕，产生这种干扰现象是由视频电缆的特性阻抗和分稚 参数都不符合要求综合引起的。解决的方法般靠“始端串接电阻”或“终 端并接电阻”的方法去解决。另外，值得注意的是，在视频传输距离很短时 ( 一般为】r i o 米以内) ，使用上述阻抗失配和分布参数过大的视频电缆不一定 会出现上述的干扰现象。 所以保证硬件质量的好坏直接关系到图像质量的好坏，而且在实际投入 1 4 止汉人学坝i 学位论文 第一二章数，| 璺i 像临控系统的纽成 运行过程中，也不可避免地要考虑设计成本及设备污染、老化问题，所以单 纯地仅依赖改善硬件设备并不能完全消除外界对图像的干扰。本论文旨在探 讨运用软件方法进一步消除图像噪声干扰等的问题，从而提高图像质量。主 要讨论选用非线性滤波器之一的中值滤波器，即把局部区域中狄度的中值作 为输出狄度，并将其与统计学理论结合起来