專利名稱：變電站二次保護設備運行狀態的視頻圖像識別方法
技術領域：
本發明涉及智能視頻監控技術，尤其涉及變電站二次保護設備運行狀態的視頻圖像識別方法。
背景技術：
隨著計算機和網絡技術的不斷發展，視頻監控系統正從模擬時代向數字化、網絡化和智能化方向過渡。智能視頻監控技術包含對視頻信號的分析和運動目標模式的識別和理解。對視頻信號的分析，如對動態目標檢測和跟蹤，是構建智能視頻監控系統的基礎；智能監控的中心內容是對運動目標模式的理解，特別是目標的識別和分類，如顏色識別、異常行為檢測與鑒另U、場景理解等。在電力系統領域的智能視頻監控技術中，面向變電站二次保護設備運行狀態的監控技術還很不成熟，目前絕大多數變電站均無法自動識別二次保護柜的壓板開關狀態、空氣開關狀態、以及信號燈顏色狀態。隨著電力系統的網絡化和智能化發展，保護設備運行狀態的監控和識別技術顯得越來越重要，這方面的應用需求也將越來越廣泛。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是根據上述需求提供變電站二次保護設備運行狀態的視頻圖像識別方法，以識別出視頻圖像中壓板開關、空氣開關和信號燈顏色狀態。為了解決上述技術問題，本發明提供的技術方案為一種變電站二次保護設備運行狀態的視頻圖像識別方法，對變電站二次保護設備中的壓板開關狀態、空氣開關狀態和信號燈狀態進行識別；
壓板開關狀態識別的實現方式為，設定包含多個壓板開關的標準視頻圖像幀集合，從中選擇若干狀態樣本，狀態樣本包括開狀態樣本和關狀態樣本；利用標準視頻圖像幀集合對所有狀態樣本進行識別訓練，獲得識別參數；根據識別參數，采用haar特征提取對視頻圖像進行預處理，得到含有所有壓板開關的圖像幀；采用haar特征提取，對圖像幀進行粗略識別，獲得初始的壓板開關狀態區域；采用連通區域分類方法對初始的壓板開關狀態區域內含有的誤匹配區域進行細致識別，獲得準確的壓板開關狀態區域；根據輪廓檢測方法對準確的壓板開關狀態區域進行細致識別，獲得準確匹配的壓板開關的開狀態或關狀態；空氣開關狀態識別的實現方式為，對視頻圖像進行預處理，獲得含有所有空氣開關的圖像幀；對圖像幀進行粗略識別，獲得初始的空氣開關狀態區域；對初始的空氣開關狀態區域進行篩選和定位得到定位區域；對定位區域進行判斷開關狀態，獲得空氣開關的開狀態或關狀態；
信號燈狀態識別的實現方式為，對視頻圖像進行預處理，獲得含有所有信號燈的圖像幀；對圖像幀進行粗略識別，獲得感興趣區域；對感興趣區域進行細致識別，獲得信號燈顏色狀態。
而且，所述預處理包括背景建模、狀態區域檢測及區域分割；所述背景建模，包括采用混合高斯模型，建立視頻圖像的背景；所述狀態區域檢測，包括采用差分或者圖像形態學，根據所述背景建模所建立的背景，在視頻圖像中檢測出狀態區域。而且，空氣開關狀態識別時，利用輪廓檢測方法對圖像幀進行粗略識別，獲得初始的空氣開關狀態區域；采用篩選定位輪廓方法對初始的空氣開關狀態區域進行篩選和定位得到定位區域；在HSV顏色空間內通過顏色直方圖方法對定位區域進行判斷開關狀態。而且，信號燈狀態識別時，利用亮度過濾和圓形輪廓逼近的進行粗略識別，獲得感興趣區域；利用信號燈定位和顏色識別方法對所述感興趣區域進行細分識別。而且，利用RGB值通道過濾方法實現信號燈定位和顏色識別，獲得信號燈顏色狀態。由于不同的顏色空間上獲得的數據對不同的視頻圖像背景光照具有不同的識別 效果，本發明技術方案的各種實施方式采用了分層分類技術，使用本發明技術方案的各種實施方式應用廣泛，比如靜止視頻圖像或運動視頻圖像，均為電力自動化和電力網絡化提供了新的途徑。與現有技術相比，本發明技術方案適用移動攝像設備，實現方便。


圖I是本發明實施例的壓板開關狀態識別流程示意圖2是本發明實施例的空氣開關狀態識別流程示意圖3是本發明實施例的信號燈狀態識別流程示意圖4是本發明實施例的壓板開關狀態識別模塊結構示意圖。
具體實施例方式 二次設備運行狀態監控和識別技術在電力智能監控、電力自動化等方面有著重要的作用，在視頻序列中尋找開關及其狀態，并對其進行認定和分類。以下結合附圖和實施例詳細說明本發明技術方案。本發明對變電站二次保護設備中的壓板開關狀態、空氣開關狀態和信號燈狀態進行識別，實施例的具體實現如下
壓板開關狀態識別的實現方式為，設定包含多個壓板開關的標準視頻圖像幀集合，從中選擇若干狀態樣本，狀態樣本包括開狀態樣本和關狀態樣本；利用標準視頻圖像幀集合對所有狀態樣本進行識別訓練，獲得識別參數；根據識別參數，采用haar特征提取對視頻圖像進行預處理，得到含有所有壓板開關的圖像幀；采用haar特征提取，對圖像幀進行粗略識別，獲得初始的壓板開關狀態區域；采用連通區域分類方法對初始的壓板開關狀態區域內含有的誤匹配區域進行細致識別，獲得準確的壓板開關狀態區域；根據輪廓檢測方法對準確的壓板開關狀態區域進行細致識別，獲得準確匹配的壓板開關的開狀態或關狀態。空氣開關狀態識別的實現方式為，對視頻圖像進行預處理，獲得含有所有空氣開關的圖像幀；對圖像幀進行粗略識別，獲得初始的空氣開關狀態區域；對初始的空氣開關狀態區域進行篩選和定位得到定位區域；對定位區域進行判斷開關狀態，獲得空氣開關的開狀態或關狀態。空氣開關狀態識別時，可以利用輪廓檢測方法對圖像幀進行粗略識別，獲得初始的空氣開關狀態區域；采用篩選定位輪廓方法對初始的空氣開關狀態區域進行篩選和定位得到定位區域；在HSV顏色空間內通過顏色直方圖方法對定位區域進行判斷開關狀態。
信號燈狀態識別的實現方式為，對視頻圖像進行預處理，獲得含有所有信號燈的圖像幀；對圖像幀進行粗略識別，獲得感興趣區域；對感興趣區域進行細致識別，獲得信號燈顏色狀態。信號燈狀態識別時，可以利用亮度過濾和圓形輪廓逼近的方法進行粗略識別，獲得感興趣區域；利用信號燈定位和顏色識別方法對所述感興趣區域進行細分識別。更進一步地，可以利用RGB值通道過濾方法實現信號燈定位和顏色識別，獲得信號燈顏色狀態。對壓板開關狀態、空氣開關狀態和信號燈狀態進行識別時，預處理可以包括背景建模、狀態區域檢測及區域分割。所述背景建模，包括采用混合高斯模型，建立視頻圖像的背景。所述狀態區域檢測，包括采用差分或者圖像形態學，根據所述背景建模所建立的背景，在視頻圖像中檢測出狀態區域。因為實際應用時，往往在一個區域同時設置了多個壓板開關、空氣開關或信號燈，通過預處理檢測出的狀態區域為各個壓板開關、空氣開關或信號燈大致上所在區域，不需要精確結果，用于從視頻中提取包含了完整的所有壓板開關、空氣開關和信號燈的圖像幀，保證結果準確性。
其中涉及的haar特征提取、連通區域分類方法、輪廓檢測方法等均為現有技術，實施時參見相關文獻即可，本發明不予贅述。實施例可采用計算機軟件技術執行流程，實現上述方法的自動實現。如圖I所示，實施例的壓板開關狀態識別主要包括如下步驟
步驟S110，設定一組包含有多個壓板開關的標準視頻圖像幀，在本方法實施例中該標準視頻圖像幀集合中的壓板開關包含開和關兩種狀態，其中開狀態為豎直，關狀態為傾斜；
步驟S120，選擇若干狀態樣本，狀態樣本包括開狀態樣本和關狀態樣本，即對標準視頻圖像幀集合中的壓板開關(包括開狀態或關狀態)進行截圖作為正樣本，選取其他與壓板開關沒有關系的任何圖片為背景樣本(負樣本)，這些狀態樣本用于進行訓練；利用標準視頻圖像幀集合，對所有狀態樣本進行識別訓練，獲得識別參數；
步驟S130，根據樣本訓練獲得的識別參數，采用haar特征提取，對待檢測二次保護柜的視頻圖像進行預處理，得到含有完整壓板開關的圖像幀，即從視頻中提取一個圖像幀，如果預處理后獲得匹配壓板開關的個數小于待檢測二次保護柜中壓板開關個數，將此幀丟棄，繼續獲取下一幀，直到得到包含有全部開關數的圖像幀；
步驟S140，采用haar特征提取，對圖像幀中壓板開關狀態進行粗略識別，獲得等于或者大于目標二次保護柜中壓板開關個數的興趣區域，稱為初始的壓板開關狀態區域；這些初始的壓板開關狀態區域作為樣本進行分類，由于樣本的顏色比較相近，區分難度較大；訓練過程中，由于不同幀的光照條件的不同，可能會得到大于目標二次保護柜中壓板開關個數的興趣區域；
步驟S150，采用連通區域分類方法對含有誤匹配區域的初始的壓板開關狀態區域進行細分，將不在開關區域的誤匹配區域去除；
步驟S160，分割出上述準確完全的壓板開關狀態區域，以進行細分識別；
步驟S170，采用輪廓檢測方法，對準確的壓板開關狀態區域中的各壓板開關的狀態進行判斷。如圖2所示，實施例的空氣開關狀態識別主要包括如下步驟
步驟S210，對含有空氣開關的視頻圖像進行預處理，得到含有完整空氣開關的圖像幀，在本方法實施例中，圖像幀包含多個開狀態或關狀態的空氣開關，兩種狀態中開狀態為向上，關狀態為向下；具體實現方式與步驟S130相應；
步驟S220，根據輪廓檢測方法進行粗略識別，根據空氣開關的輪廓，進行識別定位，獲得粗略區域，即初始的空氣開關狀態區域；
步驟S230，對所得粗略區域進行輪廓逼近和篩選，定位包含空氣開關的精確區域，即定位區域；
步驟S240，采用區域分割方法將定位到的精確區域分割；
步驟S250，根據HSV顏色空間內通過顏色直方圖方法，比較開狀態和關狀態的直方圖差異，對所有空氣開關的開/關狀態進行判斷。如圖3所示，實施例的信號燈狀態識別主要包括如下步驟
步驟S310，對含有信號燈的視頻圖像進行預處理，得到含有信號燈的圖像幀，在本方法實施例中，圖像幀包含三個顏色的信號燈，信號燈顏色包括紅色、綠色和黃色；具體實現方式與步驟S130相應；
步驟S320，采用圓形輪廓逼近的方法進行興趣區域定位，獲得圖像幀中圓形區
域；
步驟S330，根據亮度過濾方法定位到信號燈區域，即感興趣區域；
步驟S340，根據RGB通道過濾和RGB值范圍判定方法對信號燈區域進行判斷顏色狀態。常用的顏色空間有RGB (三原色)，YUV (亮度Y，色差U和V，亦稱YCrCb)、HSV (色相H、飽和度S和亮度V)、CMYK (相減色)等等，顏色空間的選擇直接影響到顏色分類和識別的效果。針對壓板開關的狀態分類，需要在檢測到的興趣區域內進行與顏色有關的haar特征提取，而且不同狀態的開關，其傾斜角度是不相同的。從視頻中直接獲得HSV等各種顏色分量，由于HSV顏色空間、YIQ(灰度值Y，色調I和Q)顏色空間及YCrCb顏色空間各自分量均存在一定的關系，因此在選定特征時，可選擇HSV中的H分量和S分量，YIQ中的I分量和Q分離，以及YCrCb中的Cr分量和Cb分量，并對結果分別進行歸一化處理。HSV顏色空間只包含顏色信息，不含亮度信息，能在一定程度上克服光照的影響，對紅、綠、紫顏色進行分類，但黑白兩色在這種空間上的投影一致，不能判別；反之YIQ顏色空間與YCrCb顏色空間，對于光照有很好的魯棒性，但對于部分相近的顏色難以區分。為此本發明采用多層次的分類方法，先在HSV顏色空間內進行粗分，對于上述實施例中，訓練過程中的粗分結果是區分出綠色、紅色、紫色以及其他顏色共四種，其中其他顏色包括黑色、藍色及白色，也即共有四個粗分組，分別對應綠色、紅色、紫色及混合色。然后在YCrCb顏色空間對混合色進行細分.
本發明實施例也可以采用模塊設計方法實現為變電站二次保護設備運行狀態的視頻圖像識別系統，相應包括壓板開關狀態識別模塊、空氣開關狀態識別模塊和信號燈狀態識別模塊。為更好地理解本發明，現對應圖I所示方法實施例來詳細說明圖4所示壓板開關狀態識別模塊的結構，包括設定模塊11、訓練模塊12、預處理模塊13、粗略識別模塊14及細致識別模塊15，其中設定模塊11，用于設定包含多個壓板開關的標準視頻圖像幀集合，從中選擇若干狀態樣本，狀態樣本包括開狀態樣本和關狀態樣本；訓練模塊12，與設定模塊11相連，用于利用標準視頻圖像幀集合對所有狀態樣本進行識別訓練，獲得識別參數；
預處理模塊13，用于接收待檢測二次保護柜的視頻圖像，并根據識別參數，采用haar特征提取對視頻圖像進行預處理，得到含有所有壓板開關的圖像幀；
粗略識別模塊14，與訓練模塊12及預處理模塊13相連，用于根據識別參數，采用haar特征提取對圖像幀中壓板開關狀態進行粗略識別，獲得初始的壓板開關狀態區域；
細致識別模塊15，與訓練模塊12及粗略識別模塊14相連，采用連通區域分類方法對初始的壓板開關狀態區域內含有的誤匹配區域進行細致識別，獲得準確的壓板開關狀態區域；根據輪廓檢測方法對準確的壓板開關狀態區域進行細致識別，獲得準確匹配的壓板開關的開狀態或關狀態。類似的，空氣開關狀態識別模塊可設計為，包括預處理模塊，用于接受視頻圖像，并對視頻圖像進行預處理，獲得含有所有空氣開關的圖像幀；粗略識別模塊，與預處理模塊相連，用于根據輪廓檢測方法對圖像幀進行粗略識別，獲得初始的空氣開關狀態區域；細分識別模塊，與粗略識別模塊相連，用于根據篩選和定位輪廓方法對所述初始的空氣開關狀態區域進行逼近和定位，獲得定位區域；判斷模塊，與細分識別模塊相連，用于根據HSV顏色空間內通過顏色直方圖方法進行判斷開和關狀態的直方圖差別，對定位區域進行判斷開關狀態，獲得空氣開關的開狀態或關狀態。類似的，信號燈狀態識別模塊可設計為，包括預處理模塊，用于接受視頻圖像，并對視頻圖像進行預處理，獲得含有所有信號燈的圖像幀；定位模塊，與預處理模塊相連，用于根據亮度過濾和圓形輪廓逼近的方法進行粗略識別，獲得感興趣區域；識別模塊，與定位模塊相連，用于利用RGB值通道過濾方法實現信號燈定位和顏色識別，根據過濾后所得RGB值判斷信號燈狀態。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替 代，但并不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的范圍。
權利要求
1.一種變電站二次保護設備運行狀態的視頻圖像識別方法，其特征在于對變電站二次保護設備中的壓板開關狀態、空氣開關狀態和信號燈狀態進行識別； 壓板開關狀態識別的實現方式為，設定包含多個壓板開關的標準視頻圖像幀集合，從中選擇若干狀態樣本，狀態樣本包括開狀態樣本和關狀態樣本；利用標準視頻圖像幀集合對所有狀態樣本進行識別訓練，獲得識別參數；根據識別參數，采用haar特征提取對視頻圖像進行預處理，得到含有所有壓板開關的圖像幀；采用haar特征提取，對圖像幀進行粗略識別，獲得初始的壓板開關狀態區域；采用連通區域分類方法對初始的壓板開關狀態區域內含有的誤匹配區域進行細致識別，獲得準確的壓板開關狀態區域；根據輪廓檢測方法對準確的壓板開關狀態區域進行細致識別，獲得準確匹配的壓板開關的開狀態或關狀態； 空氣開關狀態識別的實現方式為，對視頻圖像進行預處理，獲得含有所有空氣開關的圖像幀；對圖像幀進行粗略識別，獲得初始的空氣開關狀態區域；對初始的空氣開關狀態區域進行篩選和定位得到定位區域；對定位區域進行判斷開關狀態，獲得空氣開關的開狀態或關狀態； 信號燈狀態識別的實現方式為，對視頻圖像進行預處理，獲得含有所有信號燈的圖像幀；對圖像幀進行粗略識別，獲得感興趣區域；對感興趣區域進行細致識別，獲得信號燈顏色狀態。
2.如權利要求I所述變電站二次保護設備運行狀態的視頻圖像識別方法，其特征在于所述預處理包括背景建模、狀態區域檢測及區域分割；所述背景建模，包括采用混合高斯模型，建立視頻圖像的背景；所述狀態區域檢測，包括采用差分或者圖像形態學，根據所述背景建模所建立的背景，在視頻圖像中檢測出狀態區域。
3.如權利要求I或2所述變電站二次保護設備運行狀態的視頻圖像識別方法，其特征在于空氣開關狀態識別時，利用輪廓檢測方法對圖像幀進行粗略識別，獲得初始的空氣開關狀態區域；采用篩選定位輪廓方法對初始的空氣開關狀態區域進行篩選和定位得到定位區域；在HSV顏色空間內通過顏色直方圖方法對定位區域進行判斷開關狀態。
4.如權利要求I或2所述變電站二次保護設備運行狀態的視頻圖像識別方法，其特征在于信號燈狀態識別時，利用亮度過濾和圓形輪廓逼近的方法進行粗略識別，獲得感興趣區域；利用信號燈定位和顏色識別方法對所述感興趣區域進行細分識別。
5.如權利要求4所述變電站二次保護設備運行狀態的視頻圖像識別方法，其特征在于利用RGB值通道過濾方法實現信號燈定位和顏色識別，獲得信號燈顏色狀態。
全文摘要
本發明提供一種變電站二次保護設備運行狀態的視頻圖像識別方法，對變電站二次保護設備中的壓板開關狀態、空氣開關狀態和信號燈狀態進行識別。本發明技術方案采用了分層分類技術，使用本發明技術方案的各種實施方式應用廣泛，比如靜止視頻圖像或運動視頻圖像，均為電力自動化和電力網絡化提供了新的途徑。適用于靜止和行動中的攝像視頻圖像，為電力自動化和數字化變電站二次保護設備運行狀態的監控和識別提供了新的途徑。
文檔編號H04N7/18GK102663358SQ201210087308
公開日2012年9月12日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者萬鈞, 何濤, 劉玲, 劉美琴, 張學東, 王先兵, 王振, 詹濤 申請人:山西省電力公司晉中供電分公司, 武漢大學