（电子科学与技术专业论文）基于双目的输电线路覆冰厚度检测系统的研究.pdf

t h er e s e a r c h0 a j j 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交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 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 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：豫嘉巧日期：h1 7 年s 月2 7 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、使用学位论文的规定，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。本人授权湖南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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名： 导师签名： 陈荒 日期：h 1 年s 月z7 日 醐产一j ：7 日 基于双目的输电线路覆冰厚度检测系统的研究 摘要 随着电力行业的迅猛发展，输电电压越来越高，输电线路的分布范围越来越 广，势必面临各种气候条件及地理条件的挑战，导线覆冰引起的电力事故在近年 来频繁发生，如何准确掌握输电线路的覆冰情况引发了人们的广泛研究，针对现 有检测方法的不足，本文对基于双目图像的输电线路覆冰厚度检测方法进行了研 究。 基于图像法的输电线路覆冰厚度检测的核心思想是线缆覆冰后，它的径向宽 度较未覆冰时增加，增加的程度反映了覆冰的厚度，首先介绍了现有的基于单目 图像法的覆冰厚度检测方法，分析了它们的优点及缺点，提出了采用基于双目图 像的输电线路覆冰厚度检测方法。 制定了基于d s p 的双目视觉图像处理系统，选用高性能图像传感器实现对线 缆图像的采集和处理，并介绍了系统的主要组成模块。 采用一种适用于d s p 嵌入式的线缆覆冰图像处理的算法，在图像采集前，通 过曝光控制算法实现图像的合理曝光，通过分析相机标定的原理对双目相机进行 标定；针对本系统的具体应用环境与目标以及现有算法的优缺点，采用了一种基 于边缘特征引导匹配开销累加的方法，在进行匹配开销累加之前，先使用s o b e l 算子对图像进行增强，采用l o g 边缘检测算子求出图像的边缘，再利用边缘图像 引导匹配开销计算，使用w t a 算法进行视差判决得到视差图，再根据场景的远近， 剔除线缆之外的背景图像进行线缆的边缘提取，通过对比线缆覆冰前后的厚度差 得到线缆的覆冰的厚度。 本文对模拟覆冰进行了拍摄，并使用覆冰检测算法对图像进行了实验，在 v i s u a ld s p + + 平台下完成了算法的d s p 实现，并对线缆的不规则覆冰进行了相应 的处理，该方法对输电线路的覆冰厚度检测的研究具有重要意义。 关键词：输电线路；覆冰厚度检测；图像处理；双目视觉； h 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e ri n d u s t r y ，t h ev o l t a g el e v e lo ft r a n s m i s s i o n l i n ec o n t i n u o u s l yi m p r o v e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nh a sb e c o m ei n c r e a s i n g l yw i d e ，s ot h e t r a n s m i s s i o nl i n ew i l lb ec o n f r o n t e dw i t ha l lk i n d so fc h a l l e n g e s ，s u c ha st h ew e a t h e r c o n d i t i o n sa n dt h eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n s t r a n s m i s s i o nl i n ea c c i d e n tc a u s e db yi c i n g h a so c c u r r e df r e q u e n t l yi nr e c e n ty e a r s ，t h e r e f o r e ，h o wt oe x t r a c tt h ei c i n gi n f o r m a t i o n o ft r a n s m i s s i o nl i n eh a si n t r i g u e dw i d e l yr e s e a r c h t h i st h e s i sr e s e a r c h e dt h eb i n o c u l a r i m a g et om e a s u r et h et h i c k n e s so fi c i n gi nt r a n s m i s s i o nl i n eb e c a u s eo ft h ed e f i c i e n c y o ft h ee x i s t i n gm e t h o d s t h em a i nc o n t e n to ft h ea l g o r i t h mb a s e do ni m a g ei st h a tt h ed i a m e t e ro ft h e p o w e rl i n ei n c r e a s e sa f t e ri c i n g ，t h ei n c r e a s i n ga m o u n to fd i a m e t e rr e f l e c t st h ei c i n g t h i c k n e s so ft h ep o w e rl i n e i nt h i st h e s i s ，w ef i r s t l yi n t r o d u c et h ee x i s t i n gi m a g e m e t h o d sw h i c ha r eu s e dt od e t e c tt h ei c e t h i c k n e s so ft r a n s m i s s i o nl i n e a n da n a l y z e t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s am e t h o db a s e do nb i n o c u l a ri m a g ei sa d o p t e dt o d e t e c tt h ei c et h i c k n e s so ft h et r a n s m i s s i o nl i n e a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r is t i c sa n dr e q u i r e m e n t so ft h et a s k ，ab i n o c u l a ri m a g e p r o c e s s i n gs y s t e mi sa d o p t e db a s e do nd s p t w oh i g hp e r f o r m a n c ec m o ss e n s o r sa r e c h o s e nt ot a k et h ei m a g eo ft h et r a n s m i s s i o nl i n e t h e nt h em a i nb l o c k so ft h ei m a g e p r o c e s s i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d f i n a l l y , t h ea l g o r i t h mo ft h ei m a g ep r o c e s s i n gt h a tf i t st h ed s pp l a t f o r mi s e x p a t i a t e di nd e t a i l b e f o r ei m a g ea c q u i s i t i o n ，a ne x p o s u r ec o n t r o la l g o r i t h mi su s e dt o m a k et h e i m a g ee x p o s ea p p r o p r i a t e l y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e so fc a m e r a c a l i b r a t i o n ，ac a m e r ac a l i b r a t i o na l g o r i t h mi su s e dt oc a l i b r a t et h eb i n o c u l a rc a m e r a s a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n gm a t c h i n ga l g o r i t h m sa n dt h ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to ft h e i m a g es y s t e m ，a na l g o r i t h mb a s e do ne d g ef e a t u r e sg u i d e dc o s ta g g r e g a t i o ni sa d o p t e d a tf i r s t ，s o b e la l g o r i t h mi su s e dt oe n h a n c et h ec o n t r a s to ft h e i m a g e ，a n dl o g a l g o r i t h mi su s e dt od e t e c tt h ee d g eo ft h ei m a g e t h e n ，t h ee d g ei m a g ei su s e dt og u i d e t h ec o s ta g g r e g a t i o n a tl a s t ，ad i s p a r i t ym a pi sp r e s e n t e db a s e do nw t a a l g o r i t h m a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n td i s t a n c e so ft h et r a n s m i s s i o nl i n ea n di t sb a c k g r o u n d ，t h e b a c k g r o u n di m a g ei se a s i l ye l i m i n a t e di nt h ed e s i r e di m a g e i nt h ee n d ，w ee x t r a c tt h e e d g ea n dc o m p a r et h ew i d t hb e t w e e nt h el i n ec o v e r e dw i t hi c ea n dt h e1 i n ew i t h o u ti c e o ft h et r a n s m i s s i o nl i n e ，t h e n ，t h et h i c k n e s so fi c ei sg a i n e d n i t h i s t h e s i ss i m u l a t et h ei c i n gi n f o r m a t i o no ft r a n s m i s s i o nl i n e ，a n du s e t h ed e t e c t a l g o r i t h mt od ot h et e s t ，a n dt h er e s u l ti so b t a i n e db yt r a n s p l a n t i n gt h ea lg o r i t h mt ot h e d s pu n d e rt h ev i s u a ld s p + + p l a t f o r m a n di tc a na l s ot a k es o m em e a s u r e st od e a l w i t ht h ei r r e g u l a ri c e i ti ss i g n i f i c a n tt ot h er e s e a r c ho ft h et r a n s m i s s i o nl i n ei c i n g i d e n t i f i c a t i o n k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e ；c o v e r e di c et h i c k n e s sd e t e c t i o n ；i m a g ep r o c e s s i n g ； b i n o c u l a r s i o n i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景和意义一1 1 1 1 国内外覆冰事故研究1 1 1 2 课题研究意义一2 1 2 课题研究现状2 1 2 1 线路覆冰类型2 1 2 2 线路覆冰危害3 1 2 3 输电线路覆冰厚度检测方法4 1 3 本文的主要内容5 第2 章基于图像法的输电线路覆冰厚度检测方法一6 2 1r o b e r t s 算子检测法6 2 2s o b e l 算子检测法7 2 3p r e w i t t 算子检测法7 2 4l o g 算子检测法8 2 5c a n n y 算子检测法9 2 6 本章小结1 0 第3 章输电线路覆冰检测系统硬件设计1 1 3 1 系统硬件结构1 1 3 2d s p 系统设计。1 1 3 2 1 系统设计要求1 l 3 2 2d s p 选型1 2 3 3 图像采集模块1 4 3 3 1 图像传感器芯片1 4 3 3 2 镜头选型15 3 3 3 系统的照明设计1 6 3 4s d r a m 模块1 7 3 5 图像采集逻辑控制模块1 7 v 基于双目的输电线路覆冰厚度检测系统的研究 3 6f l a s h 模块18 3 7 本章小结1 9 第4 章双目视觉的输电线路覆冰检测算法2 0 4 1 双目视觉背景及基本原理2 0 4 1 1 双目视觉背景2 0 4 1 2 双目视觉的基本原理2 0 4 2 输电线路覆冰厚度检测实现步骤2 2 4 3 摄像头标定一2 3 4 3 1 摄像头标定方法2 3 4 3 2 摄像机坐标系2 5 4 3 3 单目相机标定2 5 4 3 4 双目相机标定3 0 4 4 曝光控制31 4 5 图像预处理3 4 4 5 1 均值滤波3 4 4 5 2 中值滤波3 5 4 6 图像特征匹配3 5 4 6 1 匹配算法设计3 7 4 6 2 边缘检测算法设计3 9 4 6 3 匹配开销算法设计3 9 4 6 4 匹配开销累加算法设计4 0 4 6 5 视差判决算法设计4 1 4 7 图像边缘特征提取4 1 4 8 本章小结。4 2 第5 章输电线路覆冰厚度检测软件设计与实现4 3 5 1 开发环境一4 3 5 2 覆冰厚度检测软件流程4 4 5 3 初始化设计4 4 5 3 1 系统初始化4 4 5 3 2 图像芯片初始化。4 4 5 4 算法实现一4 7 5 4 1 算法实现步骤4 7 5 4 2 曝光算法实现4 7 5 4 3 匹配算法实现4 8 5 5 覆冰厚度计算与结果分析：5 3 v i v u 硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 输电线路是电网的重要组成部分，是电网安全、正常运行的基础，由于电力 事业不断发展，输电线路分布范围越来越广，常面临着各种不同气候环境及地理 环境的影响，当覆冰厚度至足以导致线路故障时，就会危害线路安全运行，严重 时甚至可能造成大面积停电【i 】。此外，中国受大气候和微地形、微气象条件的影响， 冰灾事故时有发生【2 】。在许多地区由于雨雪天气导致输电线路负荷增加，造成断线、 倒杆、倒塔、闪络等事故，致使国家和社会蒙受了巨大的经济损失。由于冰灾的 频繁发生，电力生产、设计、科研及运行部门积极探索防覆冰的措施，如湖南、 湖北、云南、江西、四川、贵州等覆冰重灾区对电力线覆冰进行了全面调查，并 相继采用如短路融冰的方式防止冰灾事故的发生，但是电力线路的冰灾事故还是 频繁出现，因此，为了减少输电线路覆冰事故的发生，不但要加强线路覆冰机理、 防冰、除冰方法的研究还应加强输电线路覆冰的监测与诊断。 1 1 1 国内外覆冰事故研究 我国是输电线路覆冰严重的国家之一，由于覆冰引起的输电线路事故位居世 界前列【3 】。根据不完全统计，从1 9 5 4 年至2 0 0 6 年，全国6 k v 以上电压等级的电 网( 含输电线路和变电站) 发生的覆冰灾害有1 0 0 0 多起，其中3 5 k v 以上且规模 大并引起电网严重故障的覆冰灾害有8 6 起以上，特别是3 3 0 k v 和5 0 0 k v 电网形 成以后，电网覆冰灾害已严重影响到电网的安全运行【4 j 。 2 0 0 8 年年初，中国南方大部分地区遭受了一场5 0 年不遇的冰雪灾害，对南方 地区电网造成了极为严重的破坏。据湖南电网冰灾数据统计，由于造成5 0 0 k v 线 路3 3 条中的1 2 条线路，倒塔18 2 基，变形6 8 基，导线断线或受损3 2 2 处；2 2 0 k v 线路2 4 6 条中有4 4 条倒塔6 3 3 基，变形2 0 3 基，导线断线或受损2 4 1 处，地线断 线或受损4 3 2 处；1 1 0 k v 线路7 5 8 条中有1 2 1 条倒塔1 4 2 7 基，变形4 2 1 基，导线 断线或受损6 4 6 处，地线断线或受损1 0 1 7 处；3 5 k v 线路1 3 0 条倒塔1 0 6 4 基，变 形1 0 0 5 基，导线折断或受损1 3 6 9 处，地线断线或受损2 9 6 处；1 0 k v 线路倒杆 6 3 0 3 6 基，断线4 7 8 9 8 处；期间造成了衡阳、郴州、永州电网全面停电事故【5 j ，给 居民生活和社会经济造成了巨大损失。 在世界范围内，覆冰对输电线路都极具破坏力，根据资料显示，世界上最早 由记录的输电线路覆冰事故出现于1 9 3 2 年。近年来比较典型的由于覆冰引起的电 力事故有：2 0 0 5 年，一场冰暴袭击美国佐治亚、北卡罗来纳、南卡罗来纳、和弗 基于双目的输电线路覆冰厚度检测系统的研究 吉尼亚4 个州，造成倒杆断线造成大面积供电中断，一度影响到数万电力用户的 正常用电；2 0 0 6 年，英国苏格兰、英格兰北部地区、威尔士普降大雪，使苏格兰 地区5 0 0 0 余户居民受到断电影响；2 0 0 6 年，日本北部和西部大雪导致电力线路跳 闸，造成l3 8 万户家庭电力中断；2 0 0 6 年，加拿大西部太平洋沿岸突降暴风雪，使 得不列颠哥伦比亚省内陆电网则因遭受罕见暴风雪袭击而断电，导致1 5 万人无电 力供应i 6 j 。 1 1 2 课题研究意义 为了防止输电线路覆冰事故，电力部门采取了很多防冰、除冰措施，防冰方 法是在导线覆冰前采取措施，使得冰雪无法在导线上积覆，即使积覆也能在导线 所能承受的范围之内，除冰方法是指导线已经覆冰后所采取的全部或部分去除导 线上的覆冰，目前采取的措施有【7 】： ( 1 ) 设计线路时认真调查气象条件，避开最严重的覆冰地段； ( 2 ) 热力除冰法是，导线覆冰后采取加热措施，使得导线表面的覆冰融化或脱 落，有短路融冰法、过电流除冰法、直流融冰法等； ( 3 ) 机械除冰法，使用机械外力、手工或自动强制的方法使导线覆冰脱落，主 要有a dh o e 法、滑轮铲刮法和强力振动法； ( 4 ) 被动除冰方法，利用风、地心引力、散射和温度变化使冰脱落的方法，其 中有使用憎水或憎冰涂料法、在导线上安装平衡锤或阻雪环等方法。 覆冰是自然现象，很难掌握它准确规律，到目前为止，国内外的研究方法都 不能完全阻止输电线路冰灾的发生，因此输电线路覆冰厚度的检测显得更加重要， 它不但能为电力部门的决策提供依据，还能为进一步研究输电线路覆冰提供重要 的依据。掌握了输电线路的覆冰信息后，能让电力工作人员准确、实时掌握覆冰 情况，决定何时进行除冰操作。 1 2 课题研究现状 输电线路覆冰严重威胁着电网的安全运行，目前关于覆冰的研究非常多，通 过对输电线路覆冰的机理、特点进行研究，对输电线路覆冰厚度进行检测，取得 了许多研究成果，国内外主要研究情况如下： 1 2 1 线路覆冰类型 线路覆冰主要是由气候条件所决定，受温度、冷暖空气对流、环流、风及空 气湿度所共同影响的。造成导线覆冰的因素很多，主要有气象条件、海拔高度、 导线直径、水滴直径、导线悬挂高度、线路走向、地形及地理条件、电场强度等； 按照冰的表现特性可分为：雨凇、雾凇、混合凇和积雪。 雨凇是纯粹、坚硬透明的冰它的粘附力很强，在低地是由毛毛雨或过冷却雨 2 硕士学位论文 降落在导线上形成，在山地是由云中的冰晶或含有大水滴的雾在大风的作用下形 成，密度为o 9 0 9 2 9 c m 3 ，雨凇覆冰是混合凇覆冰的初期，由于冻雨持续时间不 是很长，因而导线覆冰为纯粹雨凇的情况较少； 雾凇一般呈白色，粒状雪，为相对坚固的结晶，在中等风速下由云中的冰晶 或含水滴的雾形成，密度为0 3 0 6g c m 3 ，粘附力颇弱，最初的结冰是不规则的， 由于导线的机械失衡会使得雾凇围绕导线均匀分布，这种冰对导线一般不构成威 胁； 混合凇由透明和不透明冰层交错形成，质地坚硬，是由云中的冰晶或含雨滴 的雾形成，密度为0 6 0 9g c m 3 ，粘附力强，混合淞是一个复合覆冰过程，是一种 交替冰形式，当温度低、风速强时覆冰生长速度快，严重危害输电线路。 积雪是自然降雪形成的，在低地为干雪，密度低，粘附力弱，在丘陵地区为 雨夹雪、雾或凝结雪，经过多次融化和冻结，能达到很高的质量和体积。 1 2 2 线路覆冰危害 根据对我国电力线路覆冰的分析，覆冰对输电线路的危害可分为以下几类 1 6 - 9 1 ： ( 1 ) 线路过荷载事故 输电线路由导线、绝缘子、拉线、杆塔等环节相互连接而成，当覆冰厚度积 到一定程度时，导线重量倍增，弧垂增大使得导线和地面的距离减小，可能引起 闪络，如果此时在风的作用下，造成导线与导线或导线与地的接触，可能造成短 路跳闸甚至烧断导线的事故。如果覆冰厚度进一步增加，远远超过导线的设计荷 载强度时可能导致整根导线被拉断或引起倒塔的事故。 ( 2 ) 绝缘子串冰闪事故 绝缘子覆冰使得大量冰凌桥接后，造成绝缘子绝缘强度降低，泄漏距离缩短。 绝缘子融冰时，冰体的水膜溶解了污秽中的电解质使得泄漏电流增大，同时，覆 冰厚度的分布不均造成了绝缘子串电压分布不均，使得绝缘子局部闪络电压大大 降低。 ( 3 ) q l e 均匀覆冰或不同期脱冰事故 导线相邻档不均匀覆冰或导线在不同时期脱冰都会产生张力差，使得导线或 地线受损、滑动，还会造成杆塔受力不平衡而发生倾斜、受损，严重时还会造成 倒塔事故；同时，邻档张力不同还会造成杆塔受力能力变差，使得绝缘子串位置 偏移很大，碰撞横担，致使绝缘子破损或破裂；不同期脱冰可能引起导线、地线 跳跃，使得它们互相接近产生放电或短路，引起跳闸。 ( 4 ) 导线舞动 导线的舞动是覆冰导线在风的激励下产生的一种自激震荡和舞动，振动频率 一般为o 1 h z 3 h z ，振幅约为导线直径的5 3 0 0 倍。导线舞动还受以下几个因素 3 基于双目的输电线路覆冰厚度检测系统的研究 的影响：舞动多发于覆冰导线上，覆冰厚度通常为2 5 m m 4 8 m m ；除覆冰因素外， 风激励也是造成舞动的重要因素之一，当风速范围在4 m 2 0 m s ，且风速走向与导 线走向大于4 5 。时，容易产生导线舞动，该夹角越接近9 0 。，舞动的可能性越高； 线路的结构和参数也是影响导线舞动的因素，不合理的线路结构组合后易发生舞 动，统计表明，分裂导线比单导线更容易发生舞动，大截面导线比小截面导线更 易发生舞动。导线舞动对输电线路运行安全危害很大，轻则产生闪络、跳闸，重 则造成绝缘子及金具损坏，导线断裂，杆塔螺栓松动，甚至造成倒塔事故。 虽然目前各国都无法彻底阻止冰灾，但研究监控灾情的技术和采取减轻灾情 的措施是必要的 1 0 l 。因为电网覆冰往往有一个比较长的时间过程，在这段期间如 果能及时了解覆冰严重区域的覆冰信息，使电网对覆冰情况做到可知，并及时做 出反应，就能大大减少覆冰事故的发生概率。因此，正确、及时了解输电线路覆 冰情况，对电力系统的安全、可靠、稳定运行起着至关重要的作用。 1 2 3 输电线路覆冰厚度检测方法 ( 1 ) 设立覆冰观测站，安装各种测试设备，由专人职守并记录气象信息及覆冰 情况，根据采集到的数据，采用某一概率统计模型，计算某个特定时期覆冰观测 站冰荷载l l 。2 0 世纪5 0 年代以来，输电线路覆冰严重的俄罗斯、英国、美国、 加拿大、日本、芬兰和冰岛等长期对输电线路进行观测和研究，对覆冰的机理、 导线的冰风荷载进行计算并制定覆冰测试标准、抗冰设计规程，在全国范围进行 观测，并以此为依据绘制线路覆冰厚度分布图，以指导电网规划和输电线路设计。 法国在多姆山省1 4 6 5 m 高的山顶建立了观测站，这是世界上第一个建立在自然环 境下的覆冰研究实验室，日本东京电力公司在康托区周围建立了观冰站，美国于 2 0 世纪8 0 年代在华盛顿山山顶建立了一条模拟输电线路，用于监测各种覆冰情 况；我国是世界上覆冰严重的国家之一，在输电线路覆冰观测方面也做了大量工 作，西南院在四川大凉山黄毛埂地区建立了我国迄今最大的导线覆冰观测站，连 续观测1 8 年，不仅为我国超高压重冰区线路建设累积了经验，而且为5 0 0 k v 高 海拔、重冰区的二滩送出工程设计提供了可靠的基础资料，并为修编有关国家和 行业规则提供了丰富的资料【6 l 。 ( 2 ) 建立导线覆冰厚度及导线弧垂变化的力学模型，合理安排传感器的安装， 检测覆冰导线的重力变化、绝缘子的风偏角、倾斜角、导线舞动频率以及风速等 环境信息，通过无线模块将采集到的信息传回后台监测中心，由专家软件利用对 现场结果进行运行判断来实现对覆冰状况的分析、计算，及时给出警报信息，防 止冰灾事故发生【l2 1 。 ( 3 ) 利用电容数字式覆冰厚度传感器检测输电线路覆冰厚度。常温下，空气 的介电常数为l ，水的介电常数为8 0 ，而冰的介电常数是3 - 4 ，因此，当电容器两 极板问分别为空气和冰时，电容器所呈现的电容量是不一样的，通过检测介质为 4 硕士学位论文 空气和冰时的电容特性差异，可获得线缆表面的覆冰厚度【l 3 1 4 j 。 ( 4 ) 采用图像法对输电线路覆冰厚度进行检测。输电线缆在覆冰前后线径有明 显差别，通过图像处理的方法对线缆覆冰前后的图像进行线缆的边缘轮廓提取， 把覆冰前后线缆宽度进行比较，可以计算得出覆冰厚度。提取边缘的方法种类繁 多，主要分成传统边缘检测方法和现代边缘检测方法，传统的方法是基于空间运 算，将算子与图像进行卷积实现，常用的算子有r o b e r t s 算子，l o g 算子，c a n n y 算子，p r e w i t t 算子等。现代方法主要有数学形态学方法、小波方法、模糊数学方 法、遗传算法和人工神经网络法等，这些方法有各自的优缺点和实用范围，总的 来说，传统方法速度快，算法简单，但对噪声比较敏感，往往在检测边缘的同时 加强了噪声，现代方法较传统方法更为复杂，检测速度较慢，但是抗噪性能更强l l 5 。 单目图像线缆覆冰检测出现的难点有：( 1 ) 由于输电线路安装的现场环境是多样的， 有高山、平地，并随着季节的变化，背景植被的颜色也会发生变化，使用单目图 像很难精确地将背景干扰与线缆图像准确分离；( 2 ) 输电线路的覆冰情况复杂多变， 不单会出现规则覆冰，在特定的环境条件下还会出现如冰凌的不规则覆冰，使用 单目图像对不规则覆冰的图像识别精度较低，不能对覆冰情况进行准确测量。目 前还有基于双目的输电线路覆冰厚度识别方法，利用双目视觉的原理，用双摄像 头从不同角度获取导线的图像，建立导线的三维坐标数学模型来进行覆冰厚度的 计算【1 6 】。使用双目图像对覆冰厚度进行检测，能根据得到的视差图，准确将线缆 背景与线缆进行分离，并且能对不规则覆冰进行检测与处理。 1 3 本文的主要内容 本文的工作重点在于根据输电线路覆冰厚度检测系统的要求搭建一个双目数 字图像处理硬件平台，完成双目相机的标定、输电线路覆冰厚度检测的算法设计 及软件实现。 本文共分为五章，各章内容安排如下： 第一章为绪论部分，介绍了输电线路覆冰厚度检测系统的研究背景、意义， 以及目前主流的研究方法。 第二章介绍在p c 上使用r o b e r t s 算子、s o b e l 算子、p r e w i t t 算子、l o g 算子、 c a n n y 算子进行覆冰检测得到的图像，并提出基于双目的输电线路覆冰厚度检测 方法。 第三章介绍双目覆冰厚度检测系统的硬件架构，包含图像采集模块、图像存 储模块、图像逻辑控制模块及f l a s h 模块。 第四章介绍双目视觉的基本原理及相关算法，包括摄像头的标定、特征点提 取以及图像匹配。 第五章介绍在d s p 上对算法进行实现以及对实验结果的实验和分析。 基于双目的输电线路覆冰厚度检测系统的研究 第2 章基于图像法的输电线路覆冰厚度检测方法 基于图像法的输电线路覆冰厚度检测的核心思想是线缆覆冰后，它的径向宽 度较未覆冰时增加，增加的程度反映了覆冰的厚度，径向宽度增加越多覆冰情况 越严重，对比覆冰前和覆冰后两幅图像的差别，提取覆冰前后线缆的边界，便可 以的到电缆的覆冰厚度。覆冰厚度的识别主要是研究线缆的边缘提取，即图像中 灰度变化最明显的部分，边缘检测是图像处理和机器视觉等领域的基本技术，通 过借助边缘检测方法找到符合条件的所有边缘，然后从这些边缘中找到线缆边缘 并进行计算。如何准确、高速提取线缆的边缘是图像检测法的重点，经典的边缘 检测方法1 1 7j 借助空域微分算子与图像进行卷积得到，根据模板大小和元素值不同 可分为r o b e r t s 算子、s o b e l 算子、p r e w i t t 算子、l o g 算子、c a n n y 算子等。针对 线缆覆冰的特点，选取线缆图像、模拟规则覆冰图像、模拟不规则覆冰图像为处 理原图，如图2 1 所示，为了充分比较各种算子的性能，针对同一幅线缆图像对边 缘进行提取，在p c 上采用上述算子对图像进行处理。 2 1r o b e r t s 算子检测法 图2 1 待处理图像 r o b e r t s 于1 9 6 3 提出一种2 2 的边缘检测算子，利用局部差分算子寻找边缘， 采用对角线方向相邻像素只差近似梯度幅值的检测边缘，即： ，厂= 厂( f ，) 一f ( i + l ，j + 1 ) a y f = f ( i ，+ 1 ) 一f ( i + l ，歹) ( 2 1 ) r ( i ，j f ) = 扛万可 ( 2 2 ) 它的卷积算子如图2 2 所示，有了这两个卷积算子就能计算出r o b e r t s 梯度幅 值r ( i ，) ，再取一个门限值t ，若r ( f ，j ) 大于r 则判定该点为边缘点。 v ： 叫划 图2 2r o b e r t s 算子 6 硕士学位论文 将图2 1 所示的图像在p c 上使用r o b e r t s 算子进行边缘提取，得到的图像如 图2 3 所示： 图2 3r o b e r t s 算子检测结果 通过图2 3 可以看出，使用r o b e r t s 检测方法得到的线缆图像，检测到的边缘 点不连续，在线缆下方光线较暗处检测不出线缆的边缘，如果采用此方法进行线 缆覆冰检测，显然会对检测结果造成很大误差。 2 2s o b e l 算子检测法 s o b e l 算子是以厂仗少) 为核心【1 8 】，在3 x 3 的模板上做运算，利用像素上、下、 左、右邻域的灰度做加权运算，与中心点越近的权值最大，它的检测模板如图2 4 所示，图像中的每个点都要与模板中的两个核做卷积运算，这两个核一个对垂直 边缘响应大，一个对水平边缘响应大，取两卷积的大值为该点的输出值，则能得 到一幅边缘图像，取门限值丁，若输出值大于门限丁，则判定该点为边缘点。在 p c 上采用s o b e l 算子得到的检测结果如图2 5 所示：+ v ：雕0 扎爿：叫 l - - 1 0 1 j【- 1 21j 图2 5s o b e l 算子检测结果 通过图2 5 可以看出，s o b e l 算子边缘定位效果比较好，但是为了获得完整连 续的边缘定位效果，引入了较多噪声，对线缆的提取造成了不必要的干扰，会使 得检测结果产生误差。 2 3 p r e w i t t 算子检测法 与s o b e l 算子一样，p r e w i t t 算子是由八个卷积核组成，模板如图2 6 所示，在 7 基于双目的输电线路覆冰厚度检测系统的研究 t ，若输出值大于门限t ，则判定该点为边缘点。采用p r e w i t t 得到的检测结果如 图2 7 所示： - ，1 i 圳- 1 - 11 言二， - 1 - 1 m 1 耕1 翻- 1 - 2 1 ” 图2 7p r e w i t t 算子检测结果 通过图2 7 能看出，使用p r e w i t t 算子检测到的线缆图像，在线缆下方光线较 暗处检测到的线缆边缘不连续，更严重时甚至会造成检测不出线缆下边缘，与 s o b e l 算子类似，如果要获取较好的边缘定位效果，将会引入很多不必要的噪声， 会影响检测结果的精度。 2 4l o g 算子检测法 l o g 算子是先用高斯函数对图像进行平滑处理，高斯函数为： g 幻) = 嘉e x p 卜等】 ( 2 3 ) 用g g ，y ) 对原图像i ( x ，y ) 进行平滑处理得到的平滑后的图像g ( x ，y ) 为： g ( x ，y ) = g ( x ，y ) j ( x ，y )( 2 4 ) 上式是为了有效消除尺度小于高斯分布因子仃的图像强度变化，由于图像边 缘是图像灰度变化最明显的地方，这种突变会在一阶导数中产生一个峰，或在二 阶导中产生零交叉点，用拉普拉斯算子来获取平滑后图像g ( x ，y ) 的二阶导 v 2 9 ( x ，y ) ，用它的零交叉点作为边缘点，v 2 g ( x ，y ) 被称为l o g 算子。在p c 上使 用l o g 算子得到的检测结果如图2 8 所示： 通过图2 8 能看出，l o g 算子对纹理的检测效果比较好，但可以看到它的抗噪 声性能不是很好，造成了一些不连续的检测边缘，会对检测结果造成较大误差。 8 硕士学位论文 2 5 c a n n y 算子检测法 图2 8l o g 算子检测结果 一 c a n n y 在1 9 8 6 年提出一个好的边缘检测算法需要具有以下三准则：不能丢失 重要边缘信息和检测出伪边缘；标记的边缘点与实际图像的边缘中心要充分接近； 同一边缘要有充分低的响应次数；使用c a n n y 算子对线缆进行边缘提取的过程是： 用高斯滤波器滤波、计算图像梯度幅值和方向、对梯度幅值进行非极大抑制、用 双阈值算法检测及连接边缘。 首先要对图像进行平滑【1 9 1 ，设输入图像为( f ，歹) ，定义二维高斯平滑函数为： g ) = 寺e x 4 一等) q 5 仃为高斯平滑函数的标准差，控制平滑的程度，对高斯函数在x , y 方向求一阶 偏导，记为q 、g ，将q 、g ，分别于图像厂g ，) 做卷积，得到平滑滤波后的结果： p 堪，j 1 = g 。f l ；，j 、) ( 2 6 、 e ( i ，j 、) = g y 卑f u ，j ) 则可以得到每个像素点梯度幅值s ( i ，) 和梯度方向9 g ，) 分别为： s o ，_ ，) = p 2 ( f ，) + q 2 0 ，歹) ( 2 7 1 删( i 9 = a r c t a n 嬲 s ( i ，j f ) 表示图像的边缘强度，p ( f ，_ ) 表示边缘的方向，为了得到精准和细化的 边缘，图像经过平滑后要进行非极大抑制，c a n n y 算法定义中心边缘点是梯度幅 值在梯度方向上邻接区域的最大值，将边缘宽度细化成只有一个像素点宽，对于 每个像素点，以该点为中心，在八邻域范围内对梯度方向上与其相邻的两个像素 点的梯度幅值进行比较，若该点梯度幅度最大则标记为边缘点，否则标记为非边 缘点；经过非极大抑制处理后，将梯度幅度值非零的点连接成边缘，采用双门限 方法来去除伪边缘，设定高低两个阈值瓦、乃，其中瓦 乃，如果像素点的梯度幅 值大于瓦，则判定该点为边缘点，否则判定该点非边缘点，这样使得边缘变得间 断不连续，为了使得边缘连续，对于非极大抑制后得到的边缘点的八邻域内梯度 幅度大于z 的点判定为边缘点并连接。在p c 上采用c a n n y 算子得到的线缆图像如 9 1 0 硕士学位论文 第3 章输电线路覆冰检测系统硬件设计 3 1 系统硬件结构 输电线路覆冰厚度检测系统的图像采集和处理的硬件总体架构如图3 1 所 不： c m o s lllc m o s 2 图像信号i ii | 图像信号 c p l d p p i d s p 外部 总线 b f 5 3 3 d s p d s p 外 部总线 d s p 外 部总线 4 m b f l a s h 2 mx1 6 b i t 6 4 m b s d r a m 3 2 mx1 6 b i t 图3 1 系统总体框图 本系统由2 个c m o s 图像传感器、c p l d 、高速存储器s d r a m 、存储器f l a s h 以及d s p 构成。d s p 选用a d i 公司的b f 5 3 3 作为主处理器，它是b l a c k f i n 系列中针对 多媒体尤其是视频处理和通信方面的高端产品。该系统通过t w s b ( 双线串行总线) 配置图像传感器，使图像