海底電纜區域熱成像視頻告警方法的研究

徐海寧 張引賢 陳 俊 唐 越 程 林

（舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

海底電纜區域熱成像視頻告警方法的研究

徐海寧 張引賢 陳 俊 唐 越 程 林

（舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

本文以舟山朱家尖海纜熱成像視頻分析為研究對象，利用視頻進行分析、計算建立海纜告警模型，并將理論建模與現場實測數據進行對比，驗證建模的正確性。本文研究內容可以為海纜全方位監控提供技術支持。

熱成像；視頻識別；目標定位；視頻告警

海底電纜保護區水域安保監控一直是電力運行維護的重點，伴隨AIS船舶自動識別系統與雷達識別技術的普及應用，海底電纜保護區水域安保監控力度也隨之提高［1-2］，但在惡劣天氣下仍存在部分船舶監管不到位情況，而熱成像技術可以最大程度的識別惡劣天氣下的船舶并及時發出違章錨泊告警，防止海纜海纜受到外力損壞。

本文運用視頻分析技術，根據熱成像設備工作環境，建立視頻目標的錄取、跟蹤、定位及告警體系，結合海纜保護區熱成像歷史或實時視頻數據驗證模型的正確性，為保護區監管的智能化管理提供數據支持。一種基于熱成像的視頻告警方法，包括：熱成像監控、視頻分析、目標定位、告警步驟。通過對熱成像數據，對視頻中的船舶目標實現錄取及跟蹤，并實現目標的地理坐標定位，即船舶在水面的位置定位，以此獲取船舶的航行數據。結合海纜保護區域報警規則，對違反規則的船舶產生告警信息。

1　成像設備選型及原理介紹

1.1設備選型

紅外熱成像設備采用紅外熱成像技術，探測目標物體的紅外輻射通過光電轉換、信號處理等手段，將目標物體的溫度分布圖像轉換成視頻圖像［3］。紅外熱成像設備可分為非致冷型和致冷型兩類。致冷型的雖熱靈敏度高但結構復雜、費用高一般用于軍事等用途，而非致冷型性價比高一般用于民用領域。對于海島之間鋪設的電纜距離一般從幾千米到幾十千米，因此開發非制冷紅外技術開便攜式紅外熱成像儀，在夜間和大霧、臺風等惡劣環境下的中短距離下即可滿足監管要求。

1.2設備成像的原理

紅外熱成像技術是一門獲取和分析來自非接觸熱成像裝置的熱信息的科學技術。通過物體熱特性的原理，用圖片的方式將物體識別、顯示出來。

我們通常所說的紅外線是指把波長小于紅色波長1000μm而大于0.75μm這一區間的電磁波，也被稱為“紅外輻射”，現在采用的一般紅外線熱成像設備使用的波段為：長波（8～14μm）、短波（3～5μm）。

下面的二維畫面（如圖2所示）可以直觀的體現被測范圍所有點的溫度分布情況，同時還可以比較處于同一區域的物體的溫度并可以查看兩點間的溫差等。現在我們可以將溫差數據實時傳輸到電腦中并進行分析監控。

圖1　電磁輻射頻譜圖

圖2　紅外熱成像測量的優勢

史蒂芬-波茲曼定律給出了黑體的輻射能量與其溫度的關系，即

式中，σ =5.67×10-8W/m2K4；T為絕對溫度，單位為K。

紅外熱成像設備的標定正是基于這一理論基礎，在設定的環境條件下，用一定數量已知溫度的黑體進行標定。

紅外熱成像設備顯示的紅外圖像是物體紅外輻射的二維圖像化，它反映物體表面的溫度分布狀況，但要想準確測量圖像中物體各點的溫度，還要對一些物體參數進行設置。

2　建模流程

熱成像視頻告警主要包括視頻接入、視頻分析、告警監測三部分。視頻接入模塊即為從熱成像攝像機獲取視頻，完成從硬件獲取數據到軟件數據處理的過渡，以對視頻進行進一步分析。視頻分析主要包括特征提取模塊，錄取跟蹤模塊、目標定位模塊。特征提取模塊主要是對采集到的視頻流進行圖像特征提取工作，以期獲取到圖像中的所有前景點信息。錄取跟蹤模塊通過圖像前景點特征實現對目標的識別、錄取及跟蹤工作。目標定位模塊主要對跟蹤的目標在圖像中的位置及攝像機的基本信息實現目標在大地坐標位置的轉換工作，完成對目標大小、位置、航向、航速的計算。告警監測是只對跟蹤目標的位置、航向、航速進行檢測，判斷目標是否違反設定的規則，若目標違反了告警約束條件，則在目標輸出信息中標記為告警目標，并及時以人性化的方式展示在用戶面前，達到告警目的。

熱成像視頻告警建模流程如圖3所示。

圖3　警建模流程圖

3　視頻分析

3.1視頻特征提取

前端采集到的視頻信息通過圖像分割技術將目標從背景圖像中提取出來，在圖像分割中，我們可以通過一階導數和二階導數檢測一副熱成像圖像中的邊緣，并對灰度級別不間斷進行疊加檢測，確切的說被檢測圖像中的一個點是否是邊緣點可以用一階導數來確認。同樣，判斷一個邊緣像素是在邊緣暗的一邊還是在亮的一邊可以用二階導數的符號來實現。其中，圖像中的一階導數可用梯度算子來計算，二階導數可以使用拉普拉斯算子的得到。

梯度算子：基于各種二維梯度的近似值可以描述一副數字圖像的一階導數是。圖像 f（x，y）在位置（x，y）的梯度定義為下列向量：

在向量方程中可以看到，梯度向量指向在坐標（x，y）的f的最大變化率方向。

在邊緣檢測中，向量的大小是一個重要的量，用f? 表示，即

這個量給出了在f?方向上每增加單位距離后f（x，y）值增大后的最大變化率。

另一個重要的量是梯度向量的方向。向量f? 在（x，y）處的方向角我們令α（x，y）表示。然后，通過由向量分析可以得到：

式中，以 x軸為基準度量的是角度。邊緣在（x，y）處的方向與此點的梯度向量的方向是相垂直的。

計算圖像的梯度要基于每個像素位置都得到偏導數/fx??和/fy??。

拉普拉斯算子：二維函數f （x，y）的拉普拉斯算子是如下定義的二階導數：

在圖像分割中拉普拉斯算子所起的作用包括：①確定一個像素是在一條邊緣亮的一邊還是暗的一邊；②利用它的零交叉的性質進行邊緣的定位。

對于進邊緣定位的作用，平滑過程與拉普拉斯算子一起被利用零交叉作為找到邊緣的前兆。函數如下

式中，δ 是標準差，r2=x2+y2。用一副圖像與該函數卷積模糊該圖像，δ 值決定了圖像的模糊程度。h關于r的二階導數是：

特征點提取效果圖如圖4所示。

圖4　特征點提取效果圖

3.2視頻錄取跟蹤

要完成對目標的視頻跟蹤，首先要找到目標的初始位置，即目標的錄取工作。之后對已錄取目標實現連續跟蹤。

船舶的特征具有一致性和穩定性。一致性是指船舶作為一個整體，由于船體單側特征類似，如船體構造、溫度、光照等，船體在圖像中亮度特征相一致。穩定性是指船體亮度、形狀、位置、運動狀態的穩定性，該類特征保證了船舶目標可實現連續跟蹤。

目標的錄取工作主要基于圖像特征點的區域分布特征。根據圖像中船舶的基本特征，對圖像中所有區域進行搜索，通過區域特征點分布，判斷該區域內是否存在可能為船舶的目標，作為待錄取目標。通過此方式可找到所有待錄取目標，如圖5所示。

圖5　待錄取目標圖

將待錄取目標與已錄取并跟蹤的目標進逐一行匹配，并更新所有匹配的信息。對未完成匹配的已錄取目標進行檢測，若目標達到停止跟蹤調整，則停止對該目標的跟蹤，否則準備下次匹配。將未完成匹配的待錄取目標添加至錄取目標行列。此時，完成對目標的錄取、跟蹤工作。

在對已錄取目標跟蹤過程中，完成對目標是否為船舶的判定。由于在圖像的特征提取中，水面浪花等特征區域不穩定，因此通過檢測已錄取目標的特征變化達到過濾水面干擾目標的目的。同時，在跟蹤過程中實現對目標的坐標轉換工作。提取目標圖如圖6所示。

圖6　提取目標圖

3.3船只坐標定位

要實現對船只的CCTV跟蹤定位及對航行中航速的判定，以及與系統的其他功能模塊相配合，則需要建立大地坐標與視頻監控圖像的像素點的一一對應關系，這可以通過有效的投影算法來實現，即可以實時計算出移動中船舶目標的經緯度。

通常監視船舶的攝像機都是安裝在一個岸邊的高處，以小于90°的傾角俯視水面。這種情況下，矩形的視頻畫面投影在水平面上是一個梯形區域，視頻圖像上的每一個像素，對應的是從攝像機發出的一條射線，這條射線與水平面的交點即是這個像素在實際空間的對應坐標。

如圖7所示的船舶目標地理位置計算說明圖，采集視頻畫面中的4個重要控制點，建立大地坐標與視頻圖像任一像素位置的一一對應關系，這樣就可根據每幀圖像中所識別船舶目標的像素點來獲得船舶的實時坐標位置信息。

圖7　告警原理圖

4　告警監測

對視頻監控區域設定一定的報警規則，并對經過該區域正在跟蹤中的船舶進行告警檢測，若船舶觸發報警條件，則通過相關方式向管理員發送報警信息。如設置“視頻范圍內停留超過5min且速度小于0.8節”報警規則，當發現船舶觸發報警條件時，系統通過聲音提醒、平臺展示等方式向管理員發送報警信息，未達到觸發報警條件的目標則僅進行平臺展示，不進行報警操作。

5　結論

本文針對舟山供電公司朱家尖海底電纜進行建模，利用熱成像設備識別船舶并疊加地理坐標顯示、分析，在此基礎上，對識別的船舶進行智能預警判斷，提高海纜風險的識別能力。利用本文的方法可以得到在給定工作環境下，及時預警船舶拋錨、施工作業等情況，提升海底電纜的保護能力。

［1］ 史令彬， 林曉波， 劉東露. 用于海底電纜免受過往船舶損壞的監控裝置： 中國， 2012-02.

［2］ 梅小衛， 何才豪， 黃小衛. 海南聯網工程海底電纜路由海面監控方案研究［J］. 中國水運： 下半月， 2011，11（11）： 86-87， 89.

［3］ 王瑞鳳， 楊憲江， 吳偉東. 發展中的紅外熱成像技術［J］. 紅外與激光工程， 2008（6）： 699-702.

Research on the Method of Video Alarm for the Laying Area of Submarine Cable

Xu Haining Zhang Yinxian Chen Jun Tang Yue Cheng Lin
（Zhoushan Electric Power Bureau， Zhoushan， Zhejiang 316000）

The submarine thermal imaging video analysis as the research object in this paper. Establish the submarine cable alarm model by video technology and computer technology. The theoretical modeling and field measured data are compared， which correctness of verification modeling. The research in the paper can provide technical support for the cable monitoring.

hermal imaging； video recognition； target location； video alarm

徐海寧（1983-），男，山東省煙臺市，碩士研究生，工程師，主要從事海纜運行檢修工作。