楊嘉妮,何 成,唐 杰

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司，衡陽 420100)

0 引 言

電力系統(tǒng)是國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步的關(guān)鍵性動力支柱，超特高壓架空輸電線路承載著向電力樞紐輸送電能的光榮使命，由于架空輸電線路運(yùn)行環(huán)境為室外，天氣、環(huán)境污染等不確定因素對電力系統(tǒng)損傷幾率較大[1]，提高這類輸電線路巡檢效率、及時維修線路故障意義重大。利用飛行器搭載攝像機(jī)系統(tǒng)采集線路圖像的自主巡檢技術(shù)已大范圍推廣使用，降低了復(fù)雜環(huán)境下線路檢修的難度、提高人工檢修線路的安全性。圖像曝光質(zhì)量優(yōu)劣影響后期圖像特征識別與關(guān)鍵信息提取的效果，所以，利用飛行器自主采集超特高壓架空輸電線路圖像時需要集成有效的圖像曝光方法。文中基于滑動平均法實現(xiàn)了曝光時間自適應(yīng)修正，其自適應(yīng)性主要體現(xiàn)在對圖像采集亮度的自適應(yīng)以及曝光時間的自適應(yīng)，提高圖像曝光的適應(yīng)性與曝光效果。

1 超特高壓架空輸電線路自主巡檢圖像自適應(yīng)曝光技術(shù)

1.1 影響圖像曝光質(zhì)量的因素分析

超特高壓架空輸電線路自主巡檢通過飛行器搭載高分辨率面陣CDD相機(jī)來實現(xiàn)，分別在地面設(shè)置了圖像處理后臺單元、飛行器端設(shè)置了圖像前端采集單元[2]，兩個單元使用WiFi網(wǎng)絡(luò)保持信息傳輸，圖1為最終形成的自主巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。前端采集到各種輸電線路圖像后傳輸?shù)降孛孢M(jìn)行存儲與顯示，由處理模塊負(fù)責(zé)后續(xù)的圖像分析工作。

圖1 飛行器搭載攝像機(jī)的自主巡檢結(jié)構(gòu)設(shè)計

輸電線路自主巡檢中相機(jī)曝光控制包括以下幾個步驟：(1)在計算機(jī)控制端提前設(shè)置脈沖頻率，將該指令輸出到脈沖觸發(fā)器端；(2)脈沖觸發(fā)器作為中介機(jī)制將5 V的TTL電平發(fā)送到面陣CCD相機(jī)端；(3)飛行器端相機(jī)接收脈沖信號后終止快門工作，結(jié)束曝光工作；(4)相機(jī)數(shù)據(jù)采集卡將采集到的自適應(yīng)曝光圖像安全存儲并發(fā)送至地面的計算機(jī)控制端，完整顯示[3]；(5)上述過程中，計算機(jī)采用圖像采集卡即可隨時調(diào)整相機(jī)采集圖像的曝光時間，在曝光時間與間隔設(shè)置合理的情況下相機(jī)可不間斷采集超特高壓架空輸電線路圖像信息，實現(xiàn)輸電線路自主性巡檢。

影響圖像采集質(zhì)量優(yōu)劣的因素較多，從拍攝過程來看曝光量是主導(dǎo)圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因子。如果攝像機(jī)曝光量較大或者較低均可能導(dǎo)致圖像質(zhì)量失真、畫面模糊[4]，所以文中研究的輸電線路圖像自適應(yīng)曝光技術(shù)以保障曝光量為基準(zhǔn)，以獲取最優(yōu)的圖像采集曝光效果。

在單位曝光時間內(nèi)，感光性材料的乳劑層感知的全部光通量即為曝光量，可以理解為是曝光時間和像面照度相乘的結(jié)果，所以曝光量計算方法如式(1)：

G=At

(1)

物鏡光學(xué)特性與景物的亮度是決定像面照度的關(guān)鍵因素，式(2)描述了三者變量間的關(guān)系：

(2)

結(jié)合上述兩個公式，獲取式(3)：

(3)

通過式(3)中各變量的關(guān)系可知，自主巡檢模式下采集超特高壓架空輸電線路圖像過程中，線路對象的亮度與相機(jī)曝光的時間是干擾曝光量的關(guān)鍵因子，因此文中通過計算合理的輸電線路亮度與曝光時間實現(xiàn)圖像采集的自適應(yīng)曝光，提高后期圖像分析的精度與自主巡檢的效率。接下來分別計算相機(jī)曝光時的亮度以及曝光時間。

1.2 感興趣區(qū)域的合理亮度值計算

求取曝光有效亮度和曝光時間首先要明確圖像中“感興趣區(qū)域”概念，提取輸電線路圖像信息豐富處的特征點(diǎn)，為特征點(diǎn)局部窗口構(gòu)建掩膜，此區(qū)域即為感興趣區(qū)域。在求取拍攝區(qū)域的有效亮度之前，需要提取到圖像的感興趣區(qū)域，亮度計算也是以該區(qū)域為對象，感興趣區(qū)域確定通過掩膜覆蓋法實現(xiàn)[5]。超特高壓架空輸電線路雖然架在高空之中，但是由于周圍環(huán)境不確定往往采集的圖像背景復(fù)雜，導(dǎo)致環(huán)境動態(tài)區(qū)間遠(yuǎn)超出相機(jī)動態(tài)區(qū)間，過度曝光與曝光不足的問題頻發(fā)，此刻環(huán)境下的光照信息沒有正確的體現(xiàn)在這類區(qū)域中。為了保留圖像采集的有效亮度，需要刪除圖像感興趣部分的劣質(zhì)曝光點(diǎn)，然后計算亮度均值，操作方法見式(4)與式(5)：

(4)

(5)

式中，像素點(diǎn)i值以及像素點(diǎn)i的掩膜值分別采用r、F表示；掩膜覆蓋部分的亮度均值為V1；去掉圖像感興趣區(qū)域劣質(zhì)曝光點(diǎn)由γ完成，此過程中存在N個被掩膜覆蓋的像素點(diǎn)。根據(jù)胡文學(xué)對圖像掩膜亮度的實驗研究可知[6]，掩膜中像素亮度均值與相機(jī)曝光時間成正比，且具有單調(diào)性，曝光時間處于一定界限時開始飽和。

根據(jù)上述方法求取圖像感興趣區(qū)域亮度均值后需要判斷其合理性，定義一個亮度距離變化值ΔV，V0表示合理亮度均值，V1和V0的差值即為ΔV；此外需設(shè)定一個判斷閾值δ。亮度合理性判斷規(guī)則如下：如果閾值超出ΔV則說明當(dāng)前曝光時間合理，相反情況則說明尚未達(dá)到合適的曝光時間，需要進(jìn)一步修正曝光時間。

2.3 基于滑動平均法的曝光時間自適應(yīng)修正

輸電線路自主巡檢的自適應(yīng)修正曝光時間修正通過環(huán)境光強(qiáng)均值預(yù)測來實現(xiàn)[7]，思路如下：(1)利用環(huán)境光強(qiáng)均值來求取預(yù)期曝光時間；(2)基于滑動平均法計算合理曝光時間值。感興趣區(qū)域亮度均值、光度響應(yīng)函數(shù)與環(huán)境光強(qiáng)均值變量息息相關(guān)，式(6)描述了三者間的關(guān)系：

ln(Hm)=g(V1)-ln(ΔTn)

(6)

式中，Hm、g(V1)、ΔTn依次表示環(huán)境光強(qiáng)均值、光度響應(yīng)函數(shù)、此刻圖像曝光時間。

接下來利用式(7)求取預(yù)期曝光時間ΔTj、采用式(8)描述的滑動方式求取最后的曝光時間ΔTj+1：

ΔTj=eg(V0)-ln(Hm)

(7)

ΔTj+1=εΔtT+(1-ε)Δtn

(8)

其中，為了避免相機(jī)采集圖像的曝光時間浮動較大，所以設(shè)置平滑系數(shù)進(jìn)行時間平滑處理[8]。

上述過程保障有效亮度的基礎(chǔ)上修正合理的曝光時間，最大限度提高相機(jī)采集輸電線路圖像的曝光量，增強(qiáng)超特高壓架空輸電線路自主巡檢圖像采集效果。

2 結(jié)束語

自主巡檢技術(shù)有效解決了人工巡檢超特高壓架空輸電線路的效率低、危險系數(shù)高、誤差大的問題，但由于自主巡檢需要對采集的圖像實施后期特征提取與分析，對圖像采集精度具有較高要求。相機(jī)曝光量很大程度上決定了超特高壓架空輸電線路圖像的質(zhì)量，文中提出的圖像自適應(yīng)曝光技術(shù)優(yōu)勢在于采用滑動平均法自適應(yīng)修正曝光時間，增強(qiáng)了曝光時間與圖像亮度的適應(yīng)性，從圖像亮度均值計算與曝光時間修正兩個方面保障了圖像曝光量，大幅度優(yōu)化超特高壓架空輸電線路自主巡檢圖像的質(zhì)量，為輸電線路的巡檢工作創(chuàng)造極大便利。