輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像壓縮研究與應(yīng)用

游紅群

（國網(wǎng)西藏電力公司營銷服務(wù)中心）

0 引言

隨著輸電線路無人機(jī)的廣泛應(yīng)用，輸電線路圖像實時回傳的需求日益重要。傳統(tǒng)的輸電線路無人機(jī)巡檢中，將巡檢圖像存儲在存儲卡中，在輸電線路無人機(jī)巡檢結(jié)束后，再將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)的方式傳輸?shù)胶笈_主站［1-2］。該方式存在數(shù)據(jù)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(shù)（5th Gеnеrаtion Mobilе Communicаtion Tеchnology，5G）的推廣，輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖片得以實時在線傳輸，但輸電線路無人機(jī)巡檢作業(yè)產(chǎn)生了大量輸電線路視頻、圖像數(shù)據(jù)，存在5G通信數(shù)據(jù)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(jī)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(jī)圖像壓縮方法。從而減少數(shù)據(jù)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(jī)自主巡檢圖像壓縮流程如圖1所示。

圖1 輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像壓縮流程

輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像壓縮流程首先對輸入的輸電線路無人機(jī)圖像進(jìn)行預(yù)處理，消除圖像噪聲對壓縮帶來的影響。其次，對圖像進(jìn)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(jī)圖像壓縮結(jié)果。

2 圖像壓縮模型

2.1 圖像預(yù)處理

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

經(jīng)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(nèi)，便于輸電線路圖像后續(xù)的編碼。

2.2 增強(qiáng)算法壓縮處理

2.2.1 圖像編碼

聯(lián)合圖像專家組（Joint Photogrарhic Exреrts Grouр，JPEG）標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了四種模式，以滿足不同的需要：

1）基于差分脈沖調(diào)制編碼（Diffеrеntiаl Pulsе codе modulаtion，DPCM）的無損編碼模式：壓縮比可達(dá)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(dá)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(jī)自主巡檢圖像分為8*8的塊作為數(shù)據(jù)處理的輸電線路無人機(jī)自主巡檢最小單位，對于輸電線路無人機(jī)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(jī)自主巡檢圖像無符號數(shù)變成有符號數(shù)。

2.2.3 DCT變換

對零偏置后的輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像進(jìn)行DCT，從而進(jìn)行圖像的信息集中與非相關(guān)因素的排除，消除輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像的冗余數(shù)據(jù)，在經(jīng)過DCT處理后，輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像進(jìn)行了集中。

經(jīng)過DCT變化的輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像為：

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

輸電線路無人機(jī)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(jī)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(jī)自主巡檢圖像進(jìn)行量化。根據(jù)輸電運維人員的人眼視覺特性，對經(jīng)過DCT變化的輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像進(jìn)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(jī)自主巡檢圖像量化過程中，采用高頻進(jìn)行粗量化，采用低頻進(jìn)行精細(xì)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(jī)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(shù)對輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像進(jìn)行量化。

2.2.5 差分編碼

在輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像8*8的圖像經(jīng)過DCT變換和量化后，具有DCT直流的系數(shù)值大。相鄰的輸電線路無人機(jī)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(jī)自主巡檢圖像塊進(jìn)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(jī)自主巡檢圖像經(jīng)DCT變換后，系數(shù)大多數(shù)輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像集中在左上角，即低頻分量區(qū)，因此采用Z字形（Zig-zаg）掃描按頻率輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像的高低順序讀出，可以出現(xiàn)輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像很多連零的機(jī)會，以便使用輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像游程編碼。

最后，進(jìn)行輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像輕量化壓縮處理。

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

最后，進(jìn)行輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像增強(qiáng)。輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像增強(qiáng)是指按照某種特定的需求，突輸電線路無人機(jī)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(jī)自主巡檢圖像增強(qiáng)的目的是使處理后的輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像更適合人眼的視覺特性或者易于機(jī)器識別。輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像增強(qiáng)同時可以作為目標(biāo)識別，目標(biāo)跟蹤，特征點匹配，圖像融合，超分辨重構(gòu)等圖像處理算法的預(yù)處理算法。

3 圖像壓縮應(yīng)用

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

圖2 輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像的直方圖

輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像直方圖均衡是改變原始無人機(jī)巡檢圖像灰度值。當(dāng)輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像的像素較多的灰度級擴(kuò)展，對輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像的像素較少的灰度進(jìn)行縮減，從而達(dá)到輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像增強(qiáng)的目的。

4 結(jié)束語

為解決輸電線路無人機(jī)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(jī)圖像壓縮方法。具有如下特點：（1）采用非對稱性壓縮技術(shù)，生成輸電線路無人機(jī)自主巡檢圖像具有安全的特點，可有效防范暴力破解數(shù)據(jù)。（2）通過人工智能圖像算法模型，實現(xiàn)輸電線路無人機(jī)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(yīng)對無人機(jī)產(chǎn)生的海量圖像數(shù)據(jù)，可推廣性強(qiáng)。