攝像機云臺預置位偏移檢測與自動校正方法

張俊康，戴熠晨，王曉蓉，許志坤，王輝煌

（國網福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州 362000）

在視頻監控系統中為了快速準確地定位到目標點，需要對云臺攝像系統采取預置位定位的方法。預先將云臺攝像機對準目標位置，并將此位置設置為預置位。監控人員在須定位到此目標位置時，只須要向云臺控制系統發送定位到預置位的命令，就可以快速定位到目標位置，準確地找到目標。目前，調度遠方操作已經實現斷路器、隔離開關、接地刀閘等電動設備變位自動聯動彈出攝像機預置位的功能[1]。

1 現狀分析

影響攝像機云臺預置位精度的因素主要包括電機質量、滑環性能及電路的控制[2]。云臺所帶負載轉動慣性大，決定了云臺驅動電機扭力要大，驅動電機的機械齒輪的間距及結構件的精度造成預置位精度有誤差，并且長時間調用預置位會使誤差累積，造成預置位完全偏移原來設置的位置。針對AIS 隔離開關遠方遙控操作、順控“全景 + 三相”的視頻判據要求，如圖1 所示，如遠方無法判斷操作后位置，則須變電站運維人員現場確認或終止遠方操作改就地操作，因此對攝像機預置位準確度提出了更高的要求，它影響到遠方倒閘操作的正確性、安全性和成功率。數量龐大的視頻設備的運維工作都是完全靠人工檢測來處理的。

圖1 “全景 + 三相”的視頻判據要求

現有檢測目標圖像和標準圖像的位置偏移方法，通常是將2 幅圖像的整幀圖像進行對比或疊加處理。2 幅圖像進行疊加處理，直接獲取圖像分界的位置；現有研究利用繪制的標尺樣條線探測，從而獲取目標圖像的偏移位置，這種方法是利用線匹配，匹配精度低，檢測的位置偏移量精度低?，F有方法通過將2 幅圖像的整幀圖像對比，進行塊匹配或通過快速傅里葉變換求出其相位相關函數得到偏移量。這種方法的匹配幾乎對每個像素點都進行處理或變換，計算量大，降低處理速度。

2 總體思路

本文涉及一種預置位圖像智能偏移檢測及校正方法，總體思路的流程如圖2。

圖2 圖像智能偏移檢測及校正方法總體思路

圖像采集：采集變電站攝像頭拍攝設備預置位圖像作為標準圖像，拍攝當前設備位置（不同于預置位）作為待檢測圖像。

圖像預處理：對標準圖像和待檢測圖像進行形態學變換處理，獲取無文字信息的二值圖像。

獲取偏移量：從二值圖像中提取標準圖像和待檢測圖像特征點，并計算其特征向量并進行歸一化處理。特征向量進行匹配，獲取圖像變換矩陣，根據圖像變換矩陣獲取待檢測圖像相較于標準圖像在x和y方向的偏移量。

確定旋轉角度：根據偏移量與旋轉角度之間的關系曲線，確定攝像機當前旋轉角度。

自動校正：對攝像頭進行多次移動操作，以有效校正攝像頭，保證其始終位于預設位置，以此實現預置位偏移檢測和自動校正。

2.1 預置位偏移檢測研究

采集設備預置位拍攝的標準圖像和當前攝像頭拍攝的待檢測圖像，對圖像進行預處理，其主要步驟：對圖像進行高斯濾波操作以去除噪聲的影響；獲取圖像的尺寸，若圖像尺寸過大，則對圖像進行下采樣操作，以提高圖像檢測效率。

對預處理后的圖像進行邊緣檢測，并進行高級形態學閉運算操作，去除圖像上固有的文字信息，獲取去除文字信息的二值圖像。此處的固有文字信息一般是攝像頭的設備信息，且同一攝像頭的文字信息相同，若不去除該文字信息，則會對后面的圖像特征匹配造成影響。利用有利于跟蹤（good feature to track）的特征提取方法（簡稱GFTT 特征）對二值圖像進行分析，提取圖像特征點，計算其特征向量并進行歸一化處理。

將標準圖像和待檢測圖像特征向量進行匹配，獲取匹配點集合。采用RANSAC 算法剔除錯誤匹配點，獲取新的匹配點集合。根據新的匹配點集合之間的關系，計算待檢測圖像到標準圖像間的單應性變換矩陣并進行變換，使得標準圖像和目標圖像處于同一坐標系下，正確計算出待檢測圖像上匹配點的坐標。根據匹配點坐標計算待檢測圖像相較于標準圖像在x方向和y方向的平均偏移量和相機旋轉角度。

整體預置位偏移檢測方法流程圖如圖3 所示。

2.2 預置位自動糾偏研究

攝像頭根據偏移量和旋轉角度對攝像頭進行旋轉操作。為了避免首次偏移量和旋轉角度計算錯誤，采取多次旋轉，并重新計算偏移量和轉交角度。以有效校正攝像頭，保證其始終位于預設位置，以此實現預置位偏移檢測和校正。自動糾偏方法流程如圖4 所示，具體執行如下。

圖4 自動糾偏方法流程圖

根據偏移檢測方法獲取待檢測圖像首次旋轉角度，執行首次校正旋轉偏移角度的80%。旋轉后重新獲取攝像頭拍攝的圖像，記為新的待檢測圖像。利用偏移檢測方法重新計算新的待檢測圖像與標準圖像的偏移角度，若偏移角度小于旋轉前的偏移角度，則旋轉剩下的角度以實現攝像頭預置位校正；若偏移角度大于旋轉前的偏移角度，則說明第一次校正出錯，則根據第二次計算結果再次校正攝像頭，實現攝像頭預置位校正。此處對攝像頭進行多次移動操作目的是為了防止校正過程中出現檢測錯誤現象，多次移動能夠有效保證攝像頭恢復到預設位置。

3 應用情況分析

2019 年起本方法成功應用于泉州地區輔助綜合監控系統，形成圖像智能糾偏功能模塊，經過測試、試應用及功能改進，目前已廣泛投入使用。實際應用情況表明，圖像智能糾偏系統能夠對隔離開關圖像監控場景偏移進行快速、精確的自動檢測和校正，軟件界面直觀友好，功能運行穩定可靠，運行日志如圖5 所示。

圖5 圖像智能糾偏功能模塊應用

該系統具備攝像機設備參數設置、通道設置、圖像實時采集、實時監控、預置位設定、預置位偏移檢測、預置位糾偏等功能，偏移檢測精度為2 個像素，準確率大于95%；預置位糾偏精度為3～5個像素，校正后圖像偏離小于2%，該系統的應用，避免了因視頻監控系統隔離開關圖像偏移導致調控遠方操作被迫中斷、等待現場對操作結果進行確認的問題，顯著縮短調控遠方操作結果確認等待時間和線路恢復供電時間。

4 結束語

本成果實現對調控遠方操作結果的準確、可靠確認，保障了調控遠方操作的安全性。避免了煩瑣的視頻輔助監控設備人工檢測及調整維護作業，實現對調控遠方操作結果的及時確認，實現自動檢測和調整，有效提高遠方倒閘操作的工作效率，節省大量人力資源，具有重要的實際應用價值。