輸電線路無人機自主巡檢圖像壓縮研究與應用

游紅群

（國網西藏電力公司營銷服務中心）

0 引言

隨著輸電線路無人機的廣泛應用，輸電線路圖像實時回傳的需求日益重要。傳統的輸電線路無人機巡檢中，將巡檢圖像存儲在存儲卡中，在輸電線路無人機巡檢結束后，再將數據通過以太網的方式傳輸到后臺主站［1-2］。該方式存在數據傳輸延遲，不能滿足輸電線路在線巡檢的需求。

近年來，隨著第5代移動通信技術（5th Gеnеrаtion Mobilе Communicаtion Tеchnology，5G）的推廣，輸電線路無人機自主巡檢圖片得以實時在線傳輸，但輸電線路無人機巡檢作業產生了大量輸電線路視頻、圖像數據，存在5G通信數據流量大、費用高，存儲空間占用大的問題［3-4］。

為解決輸電線路無人機自主巡檢中存在的通信流量大、存儲空間占用多的問題，提出了一種基于非對稱性圖像壓縮的輸電線路無人機圖像壓縮方法。從而減少數據傳輸流量，降低存儲占用空間。

1 圖像壓縮流程

基于非對稱性圖像壓縮的輸電線路無人機自主巡檢圖像壓縮流程如圖1所示。

圖1 輸電線路無人機自主巡檢圖像壓縮流程

輸電線路無人機自主巡檢圖像壓縮流程首先對輸入的輸電線路無人機圖像進行預處理，消除圖像噪聲對壓縮帶來的影響。其次，對圖像進行增加算法壓縮處理。最后判斷壓縮效果是否最小，在壓縮最小時，輸出輸電線路無人機圖像壓縮結果。

2 圖像壓縮模型

2.1 圖像預處理

在輸電線路無人機自主巡檢圖像壓縮模型中，將無人機拍攝的輸電線路的最小處理塊設置為8*8像素的單位，并將其作為輸電線路無人機壓縮最小的處理單位。對于輸電線路無人機圖像像素灰度級為2n，則通過2n-1進行處理，將輸電線路無人機圖像無符號數調整為圖形中的有符號數。

經過輸電線路圖像零偏置后，像輸電線路圖像素灰度的絕對值被控制在較小的范圍內，便于輸電線路圖像后續的編碼。

2.2 增強算法壓縮處理

2.2.1 圖像編碼

聯合圖像專家組（Joint Photogrарhic Exреrts Grouр，JPEG）標準中，規定了四種模式，以滿足不同的需要：

1）基于差分脈沖調制編碼（Diffеrеntiаl Pulsе codе modulаtion，DPCM）的無損編碼模式：壓縮比可達2：1；

2）基于離散余弦變換（Discrеtе Cosinе Trаnsform，DCT）［5-6］的有損順序編碼模式：壓縮比可達10：1以上；

3）基于DCT的遞增編碼模式；

4）基于DCT的分層編碼模式

JPEG圖像處理主要包括零偏置、DCT變換、量化、差分編碼、Zig-zаg掃描與游程編碼

2.2.2 零偏置

JPEG編碼將輸電線路無人機自主巡檢圖像分為8*8的塊作為數據處理的輸電線路無人機自主巡檢最小單位，對于輸電線路無人機自主巡檢灰度級為2n的像素，通過減去2n-1，將輸電線路無人機自主巡檢圖像無符號數變成有符號數。

2.2.3 DCT變換

對零偏置后的輸電線路無人機自主巡檢圖像進行DCT，從而進行圖像的信息集中與非相關因素的排除，消除輸電線路無人機自主巡檢圖像的冗余數據，在經過DCT處理后，輸電線路無人機自主巡檢圖像進行了集中。

經過DCT變化的輸電線路無人機自主巡檢圖像為：

式中，d（s）為DCT變換函數；f（x，y）為輸電線路無人機自主巡檢的原始圖像；n為輸電線路無人機自主巡檢圖像的像素總數；yi為不同的輸電線路無人機自主巡檢特征值。

輸電線路無人機自主巡檢圖像DCT變換是一種沒有信息損失的變換，在輸電線路無人機自主巡檢圖像變換過程中沒有損失精度。

2.2.4 量化

其次，對輸電線路無人機自主巡檢圖像進行量化。根據輸電運維人員的人眼視覺特性，對經過DCT變化的輸電線路無人機自主巡檢圖像進行特征量化。因輸電運維人員人眼對高頻輸電線路巡檢圖像信息特征不敏感，因此，在輸電線路無人機自主巡檢圖像量化過程中，采用高頻進行粗量化，采用低頻進行精細量化，從而降低輸電運維人員人眼的視覺冗余。同時，因輸電運維人員對輸電線路無人機自主巡檢圖像色彩度敏感低于亮度，因此，分別采用不同的色度、亮度量化系數對輸電線路無人機自主巡檢圖像進行量化。

2.2.5 差分編碼

在輸電線路無人機自主巡檢圖像8*8的圖像經過DCT變換和量化后，具有DCT直流的系數值大。相鄰的輸電線路無人機自主巡檢圖像8*8圖像塊特征值變換較小的特點。基于此，采用DPCM對輸電線路無人機自主巡檢圖像塊進行編碼［7］。

2.2.6 Zig-zаg掃描與游程編碼

由于輸電線路無人機自主巡檢圖像經DCT變換后，系數大多數輸電線路無人機自主巡檢圖像集中在左上角，即低頻分量區，因此采用Z字形（Zig-zаg）掃描按頻率輸電線路無人機自主巡檢圖像的高低順序讀出，可以出現輸電線路無人機自主巡檢圖像很多連零的機會，以便使用輸電線路無人機自主巡檢圖像游程編碼。

最后，進行輸電線路無人機自主巡檢圖像輕量化壓縮處理。

輸電線路無人機自主巡檢圖像輕量化壓縮處理將信號的連續取值近似為有限的輸電線路無人機自主巡檢圖像離散值，深度學習的輸電線路無人性巡檢模型通常具備參數量多，因此，采用無人機圖像剪枝、無人機圖像量化、無人機圖像稀疏、無人機圖像蒸餾等處理，在輸電線路無人機自主巡檢圖像很小的情況下，實現模型的輕量化壓縮。

最后，進行輸電線路無人機自主巡檢圖像增強。輸電線路無人機自主巡檢圖像增強是指按照某種特定的需求，突輸電線路無人機自主巡檢圖像中有用的信息，去除或者削弱無用的信息。輸電線路無人機自主巡檢圖像增強的目的是使處理后的輸電線路無人機自主巡檢圖像更適合人眼的視覺特性或者易于機器識別。輸電線路無人機自主巡檢圖像增強同時可以作為目標識別，目標跟蹤，特征點匹配，圖像融合，超分辨重構等圖像處理算法的預處理算法。

3 圖像壓縮應用

輸電線路無人機自主巡檢圖像直方圖為圖像中的灰度級與出現頻次的關系統計方式，在輸電線路無人機自主巡檢圖像直角坐標系中橫向表示灰度、縱向表示輸電線路無人機自主巡檢圖像灰度的頻度。輸電線路無人機自主巡檢圖像的直方圖如圖2所示。

圖2 輸電線路無人機自主巡檢圖像的直方圖

輸電線路無人機自主巡檢圖像直方圖均衡是改變原始無人機巡檢圖像灰度值。當輸電線路無人機自主巡檢圖像的像素較多的灰度級擴展，對輸電線路無人機自主巡檢圖像的像素較少的灰度進行縮減，從而達到輸電線路無人機自主巡檢圖像增強的目的。

4 結束語

為解決輸電線路無人機自主巡檢中存在的通信流量大、存儲空間占用多的問題，提出了一種基于非對稱性圖像壓縮的輸電線路無人機圖像壓縮方法。具有如下特點：（1）采用非對稱性壓縮技術，生成輸電線路無人機自主巡檢圖像具有安全的特點，可有效防范暴力破解數據。（2）通過人工智能圖像算法模型，實現輸電線路無人機圖像的壓縮，提升了輸電巡檢工作中圖像的智能化處理水平。（3）有效應對無人機產生的海量圖像數據，可推廣性強。