超特高壓架空輸電線路基于自主巡檢技術的圖像自適應曝光技術研究

楊嘉妮,何 成,唐 杰

(國網湖南省電力有限公司輸電檢修分公司，衡陽 420100)

0 引 言

電力系統是國家經濟發展、社會進步的關鍵性動力支柱，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行環境為室外，天氣、環境污染等不確定因素對電力系統損傷幾率較大[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系統采集線路圖像的自主巡檢技術已大范圍推廣使用，降低了復雜環境下線路檢修的難度、提高人工檢修線路的安全性。圖像曝光質量優劣影響后期圖像特征識別與關鍵信息提取的效果，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了曝光時間自適應修正，其自適應性主要體現在對圖像采集亮度的自適應以及曝光時間的自適應，提高圖像曝光的適應性與曝光效果。

1 超特高壓架空輸電線路自主巡檢圖像自適應曝光技術

1.1 影響圖像曝光質量的因素分析

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相機來實現，分別在地面設置了圖像處理后臺單元、飛行器端設置了圖像前端采集單元[2]，兩個單元使用WiFi網絡保持信息傳輸，圖1為最終形成的自主巡檢系統結構。前端采集到各種輸電線路圖像后傳輸到地面進行存儲與顯示，由處理模塊負責后續的圖像分析工作。

圖1 飛行器搭載攝像機的自主巡檢結構設計

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

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

在單位曝光時間內，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果，所以曝光量計算方法如式(1)：

G=At

(1)

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

(2)

結合上述兩個公式，獲取式(3)：

(3)

通過式(3)中各變量的關系可知，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曝光的時間是干擾曝光量的關鍵因子，因此文中通過計算合理的輸電線路亮度與曝光時間實現圖像采集的自適應曝光，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曝光時的亮度以及曝光時間。

1.2 感興趣區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“感興趣區域”概念，提取輸電線路圖像信息豐富處的特征點，為特征點局部窗口構建掩膜，此區域即為感興趣區域。在求取拍攝區域的有效亮度之前，需要提取到圖像的感興趣區域，亮度計算也是以該區域為對象，感興趣區域確定通過掩膜覆蓋法實現[5]。超特高壓架空輸電線路雖然架在高空之中，但是由于周圍環境不確定往往采集的圖像背景復雜，導致環境動態區間遠超出相機動態區間，過度曝光與曝光不足的問題頻發，此刻環境下的光照信息沒有正確的體現在這類區域中。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曝光點，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i值以及像素點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；去掉圖像感興趣區域劣質曝光點由γ完成，此過程中存在N個被掩膜覆蓋的像素點。根據胡文學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曝光時間成正比，且具有單調性，曝光時間處于一定界限時開始飽和。

根據上述方法求取圖像感興趣區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；此外需設定一個判斷閾值δ。亮度合理性判斷規則如下：如果閾值超出ΔV則說明當前曝光時間合理，相反情況則說明尚未達到合適的曝光時間，需要進一步修正曝光時間。

2.3 基于滑動平均法的曝光時間自適應修正

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

ln(Hm)=g(V1)-ln(ΔTn)

(6)

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

接下來利用式(7)求取預期曝光時間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，為了避免相機采集圖像的曝光時間浮動較大，所以設置平滑系數進行時間平滑處理[8]。

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

2 結束語

自主巡檢技術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量，文中提出的圖像自適應曝光技術優勢在于采用滑動平均法自適應修正曝光時間，增強了曝光時間與圖像亮度的適應性，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，大幅度優化超特高壓架空輸電線路自主巡檢圖像的質量，為輸電線路的巡檢工作創造極大便利。