輸電線路巡檢智能單兵裝備全景采集系統設計

王維坤，余志偉，馬鵬飛

(安徽送變電工程有限公司，安徽 合肥 230022)

0 引言

電力巡檢作為保障電力線路安全的最基本措施[1]，通常由巡視員到現場巡視，并以紙張或筆記本的形式記錄電力線路情況。這種方法不僅效率低下，而且信息采集的全面性較差，受環境影響較大，存在許多盲區，難以獲取全景信息[2]。為提升電網巡檢效率和質量，眾多專家學者對電力巡檢系統展開研究與設計，其中，曹峰梅等[3]設計了折反射全景系統，利用折射成像系統分析雙曲面反射的鏡面參數實現全景采集，受空間角度和圖像分辨率影響，該系統采集信息不夠全面，且圖像處理運算難度較高；陳國勝等[4]設計了智能紅外全景識別系統，依據低功耗原理，利用BIRD網絡形式完成全景信息采集，受時差性影響，其區域感知性能較低。

面對此類情況，單人背包式信息采集的方式應運而生，利用攝像機采集電路畫面傳輸到后臺，在降低人工采集信息錯誤率的同時，也彌補了車載信息采集方式的區域片面性，且危險系數較低。對此，本文設計輸電線路巡檢中的單人背包式全景采集系統，為提升電路安全提供有力保障。

1 單人背包式全景采集系統

1.1 系統整體結構

輸電線路巡檢中的單人背包式全景采集系統主要由后臺管理模塊和單人背包式全景采集設備組成，二者間以USB串口方式連接，GPS衛星定位單人背包式全景采集設備，GPRS基站利用互聯網連接采集設備和后臺管理系統，實現了從輸電線路巡檢云服務到終端巡檢的實施過程。輸電線路巡檢中的單人背包式全景采集系統結構如圖1所示。

圖1 輸電線路巡檢中的單人背包式全景采集系統結構

圖1中，單人背包式全景采集設備負責巡視任務的接收、監督、導航，以及采集、傳輸全景數據等[5]，后臺管理模塊負責線路查詢、系統維護和全景圖像拼接等。

1.2 單人背包式全景采集設備

1.2.1 設備組成

單人背包式全景采集設備結構如圖2所示。圖2中，中央控制模塊作為全景采集設備的核心，主要負責采集定位數據，以藍牙方式接收數碼相機拍攝的圖像，與MCU和后臺管理模塊相連接，實現電力巡檢相關任務。MCU模塊負責監控圖像采集模塊，圖像采集模塊的信息通過UART接口方式傳輸到MCU模塊，經過協議解析后，使圖像采集模塊完成拍攝任務，并以LED的形式展示[6-7]。RFID模塊負責物資管理，以標簽的形式標記物料，由于金屬和非金屬材料的混合情況，本文采用超高頻標簽來提高射頻的穿透性，實現物資管理功能。整個系統的供電和電源輸出則由電池模塊負責。

圖2 單人背包式全景采集設備結構

1.2.2 圖像信息采集

巡檢圖像數據以第三方SDK庫訪問方式傳輸到單人背包式全景采集系統的后臺管理模塊內，在不同GPRS基站之間建立長連接，獲取基站服務器指令；在相同的HTTP之間建立短連接，發送位置信息、巡檢圖像等，后臺模塊依據該信息實現巡檢管理，當網絡出現異常時，通過建立本地數據庫的方式及時備份巡檢相關數據信息。系統圖像信息采集流程如圖3所示。

圖3 圖像信息采集流程

1.3 全景圖像拼接

1.3.1 圖像拼接流程

圖像拼接是系統實現全景圖像采集的關鍵技術，在系統的后臺管理模塊中實現。全景圖像拼接可以將有邊界的圖像拼接成全景圖像，而圖像拼接最重要的是圖像特征提取。提取的圖像經過最近鄰匹配、特征點估計和參數變化后形成全景圖像。

1.3.2 基于SIFT圖像特征提取

作為一種局部特征提取方法，SIFT算法在圖像處理方面有很強的優越性，應用范圍非常廣泛[8]。SIFT算法的核心是距離空間理論，其圖像特征提取步驟如下所述。

a．定義二維高斯函數，公式為

(1)

利用式(1)推導范圍空間表達式為

L(x,y,σ)=G(x,y,σ)*|(x,y)

(2)

上述公式中，范圍空間因子、圖像在某特定點的像素值、具有范圍變換的高斯函數與圖像的卷積分別由σ、|(x,y)、L(x,y,σ)表示。

b．范圍空間極值檢測。

該算法利用高斯差分離器的 DoG算子，在距離空間上檢測穩定關鍵點，其計算公式為

D(x,y,σ)=(G(x,y,kσ))*|(x,y)=

L(x,y,kσ)-L(x,y,σ)

(3)

剩余DoG算子的范圍空間由式(3)獲得，該公式是由圖像高斯金字塔的每個范圍內相鄰金字塔的范圍之差獲得的。

為了得到極值點，比較每個采樣點的中點，分別在該層空間、上層空間和下層空間中取每個采樣點的最大值和最小值，然后在這個范圍內取每個采樣點的極值點，即要選擇的特征點。

由于每組圖像的第1層和最后1層都無法進行極值比較處理[9-10]，為了提高空間變化的連續性，采用了高斯模糊法，將每組圖像的第1層和最后1層分成2組圖像，從而保證極值計算的全面性。

c．篩除不合格關鍵點。

通過差分處理確定各極值點的位置和范圍，選取低對比度、不穩定極值點及邊緣響應點，進行差值處理[11]，則DoG函數在范圍空間的Taylor展開公式為

(4)

M表示樣本像素點，其計算公式為

M=(x,y,σ)T

(5)

(6)

為了剔除不穩定的邊緣響應點，對使用2×2矩陣N求導[12]，其主曲率計算公式為

(7)

假設α、β均表示特征值，矩陣N特征值和D的主曲率成比例，且α>β，則

trN=Dxx+Dyy=α+β

(8)

(9)

當α=γβ時，則

(10)

檢測的主曲率通過式(10)獲取。通過判斷某個特定閾值γ是否高于主曲率，完成極值點剔除流程。

d．關鍵點方向分配。

為保證特征描述向量在方向上擁有保持不變的特性[13]，利用圖像的局部特征獲取各個點的方向，假設m(x,y)、θ(x,y)分別表示梯度和方向，則梯度和方向的計算公式為

m(x,y)=[(Q(x+1,y)-Q(x-1,y))2+

(11)

(12)

其中，關鍵點的范圍空間值由Q(x,y)表示。

在篩除不合格關鍵點過程中，由于梯度直方圖角度為360°，在實際計算中按照45°角1個柱，合計8個柱，并在以關鍵點為中心的相鄰窗口內采樣計算。當圖像特征檢索完成后，每個特征點均具有范圍、位置和方向3個信息[14]。

e．關鍵點描述子生成。

為保證圖像特征的旋轉不變性，使圖像特征坐標與關鍵點的方向一致，以關鍵點為中心，用4×4小窗計算8個方向的直方圖，得到每個梯度的積累值，得到8×8的窗口[15]，并生成特征特征子描述，從而形成種子點。采用4×4的小窗口，以種子點為128維 SIFT特征向量，對圖像進行特征提取，并對最近鄰匹配、特征點估計和參數變化進行全景圖處理，以提高圖像匹配的魯棒性。

2 實驗分析

為驗證本文系統在實際應用過程中的各種性能，以某市輸電線路巡檢任務為實驗對象，在系統采集角度、穩健性等方面展開實驗。

為突出本文系統使用性能，與文獻[3]系統和文獻[4]系統進行對比，其中文獻[3]系統為基于仿視網膜成像器件的折反射全景系統，文獻[4]系統為基于BIRD網絡的智能紅外全景識別系統。

系統圖像采集角度是降低輸電線路巡檢任務難度的途徑之一。為此，驗證3種系統的圖像采集角度，結果如圖4所示。

圖4 3種系統圖像采集角度

分析圖4可知，使用3種系統采集到的同一地點圖像后，本文系統所采集到的圖像角度廣，范圍大，且清晰度較高，而文獻[3]系統和文獻[4]系統所采集的圖像角度小，若采集到全畫面圖像需采集2～3張圖像，增加巡檢任務難度。由此可知，本文系統圖像采集角度較大，可有效降低電路巡檢任務的復雜程度。

圖像的幀頻是影響系統圖像采集效果的指標之一。在不同分辨率情況下，3種系統采集圖像的幀頻結果如表1所示。

表1 3種系統采集圖像幀頻

分析表1可知，3種系統采集的圖像幀頻均隨著分辨率的增加而增加，當分辨率為1 280×720時，本文系統與文獻[4]系統采集的圖像幀頻相同，但隨著分辨率的增加，本文系統采集圖像的幀頻高于文獻[3]系統與文獻[4]系統采集的圖像幀頻。當分辨率為2 592×1 944時，本文系統采集的圖像幀頻較文獻[3]系統和文獻[4]系統分別高9幀/s和11幀/s。由此可知，本文系統的圖像幀頻能力采集較強。

以圖像處理時間和功耗為衡量系統穩健性能指標，在分辨率為2 560×960和2 592×1 944的情況下，測試3種系統圖像處理時間與功耗，結果如表2所示。

表2 不同分辨率下3種系統圖像處理結果

分析表2可知，當分辨率相同時，本文系統的圖像處理工作頻率高于對比系統，而圖像處理耗時和設備總能耗低于文獻[3]系統，在分辨率為2 560×960時，本文系統和文獻[4]系統的設備總功耗相同，但本文系統圖像處理耗時和設備總能耗具有較高優越性，由此可知，本文系統圖像處理工作的穩定性能較好。

由于輸電線路巡檢環境不一，測試不同噪聲環境下3種系統信息傳輸能力，結果如表3所示。

表3 不同噪聲環境下3種系統數據傳輸情況

分析表3可知，3種系統的數據傳輸幀數隨著噪聲的增加而逐漸降低，本文系統的數據傳輸幀數較文獻[3]系統和文獻[4]系統的數據傳輸幀數高，且隨著噪聲的增加，其降低幅度較低。當噪聲為200 dB時，本文系統的數據傳輸幀數為340幀/s，較文獻[3]系統和文獻[4]系統分別高76 幀/s和51 幀/s。由此可知，本文系統受噪聲干擾較小且具有較強的數據傳輸能力。

測試多巡檢任務情況下，3種系統同步性，結果如圖5所示。

圖5 3種系統同步性能測試

分析圖5可知，在多個巡檢任務情況下，本文系統的圖像采集完成時間差曲線較文獻[3]系統和文獻[4]系統的圖像采集完成時間差曲線起伏小，且最大圖像采集完成時間差值較低，3種系統的圖像采集完成時間差的平均值分別為1.11 s、1.15 s、1.28 s。由此可知，本文系統同步性較好，即在多個巡檢任務下，同步性能較好。

當并發用戶數量較大時，測試3種系統的運行時間，結果如圖6所示。

圖6 3種系統運行時間測試結果

分析圖6可知，當并發用戶數量增加時，3種系統的運行時間也隨之增加，其中當并發用戶量在0～60 個之間，文獻[4]系統的運行時間最低，當用戶量超過60個后，本文系統運行時間最低，且隨著并發用戶數量的增加，其運行時間曲線增加緩慢，當并發用戶數量為180個時，本文系統的運行時間與其他系統運行時間相比，分別相差3.2 min和3 min。

3 結束語

本文結合單人背包式信息采集方式，設計輸電線路巡檢中的單人背包式全景采集系統，利用攝像設備采集輸電線路圖像，基于SIFT圖像特征，提取輸電線路巡檢過程的全景圖像。實驗結果表明：本文系統采集圖像角度廣，可有效降低電路巡檢任務難度；隨著分辨率的增加，采集圖像幀頻較高，圖像采集能力強；系統工作頻率、圖像處理耗時等均較高，具有較強穩定性。