彭 斌，麻立群，潘堅躍，張元歆，陳 希

（1.國家電網(wǎng)浙江臨安市供電公司 浙江 臨安311300；2.國家電網(wǎng)杭州供電公司 浙江 杭州 310009；3.西安交通大學(xué) 陜西 西安710049）

基于三維場景的電力設(shè)施安全區(qū)域預(yù)警方法

彭 斌1，麻立群1，潘堅躍2，張元歆3，陳 希3

（1.國家電網(wǎng)浙江臨安市供電公司 浙江 臨安311300；2.國家電網(wǎng)杭州供電公司 浙江 杭州 310009；3.西安交通大學(xué) 陜西 西安710049）

在電力設(shè)施現(xiàn)場作業(yè)過程中，需要監(jiān)控在現(xiàn)場中的工作人員的位置用來對人員目標(biāo)進(jìn)行安全預(yù)警。本文提出了一種基于三維場景標(biāo)定技術(shù)的電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場人員目標(biāo)安全預(yù)警方法，可以對于電力設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)攝到的監(jiān)控圖像視頻進(jìn)行分析。從電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場以及監(jiān)控視頻中提取先驗標(biāo)定數(shù)據(jù)，根據(jù)先驗標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，完成對電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場的三維場景建模，再根據(jù)人員目標(biāo)的識別結(jié)果從視頻中計算人員目標(biāo)的實際位置，與預(yù)先設(shè)定好的安全區(qū)域預(yù)警參數(shù)進(jìn)行對比，確定當(dāng)前現(xiàn)場狀態(tài)。該方法經(jīng)過現(xiàn)場驗證，可以穩(wěn)定的計算人員目標(biāo)位置，提出準(zhǔn)確安全預(yù)警信號。

電力設(shè)施，視頻監(jiān)控，三維場景，標(biāo)定，預(yù)警

現(xiàn)代化社會的電力系統(tǒng)是一個從發(fā)電、輸電到配電、用電的龐大系統(tǒng)，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能導(dǎo)致大面積的電力供應(yīng)缺失，影響正常的生產(chǎn)生活秩序。這需要我們時刻對電力系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，在出現(xiàn)故障時及時修復(fù)。在電力設(shè)施檢修過程中，容易在作業(yè)現(xiàn)場出現(xiàn)危險情況，如線路脫落。此時，一旦工作人員接近，就會產(chǎn)生安全隱患。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以用來預(yù)防電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場中可能出現(xiàn)的危險情況。監(jiān)控系統(tǒng)對作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行拍攝，將監(jiān)控畫面?zhèn)骰睾蠓奖O(jiān)控中心，工作人員可以進(jìn)行監(jiān)控。但是人工監(jiān)控費時費力，還會出現(xiàn)漏檢。

在少量應(yīng)用了簡單圖像處理算法的電力設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)中，對人員目標(biāo)的監(jiān)控停留在解決少量目標(biāo)、分類容易的情況[1-2]，并且一旦檢測到人員目標(biāo)即會報警[3]，無法真正的對人員目標(biāo)的行為進(jìn)行監(jiān)控?；趯ΡO(jiān)控圖像進(jìn)行背景圖像分析，然后進(jìn)行背景差分和模板匹配，王永燦等人提出了一種對接近高壓輸電線桿塔附近的人員目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控的方法[4]，但是該方法只是識別人員目標(biāo)，而并不會對人員目標(biāo)的位置做出分析。

文中應(yīng)用三維場景標(biāo)定技術(shù)，設(shè)計了一種基于電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場標(biāo)定數(shù)據(jù)的人員目標(biāo)位置計算方法，使得監(jiān)控系統(tǒng)能夠從二維監(jiān)控圖像中分析在電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場中人員目標(biāo)當(dāng)前位置，和預(yù)先確定的安全預(yù)警區(qū)域參數(shù)進(jìn)行對比，從而確定當(dāng)前現(xiàn)場中是否有人員目標(biāo)處于危險位置，從而穩(wěn)定地提出安全預(yù)警信號。

1 電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場的監(jiān)控場景

針對不同的施工作業(yè)狀態(tài)，電力設(shè)施圖像視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要設(shè)定不同的閾值來監(jiān)測當(dāng)前的狀態(tài)。首先根據(jù)監(jiān)控場景來進(jìn)行標(biāo)定，建立二維監(jiān)控畫面和三維實際場景之間的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)該對應(yīng)關(guān)系計算目標(biāo)的位置參數(shù)，從而得到穩(wěn)定的依據(jù)來判定是否給出安全預(yù)警信號。要實現(xiàn)三維場景的標(biāo)定計算，可以采用雙攝像機(jī)的雙目視覺系統(tǒng)[5]和單攝像機(jī)的單目視覺系統(tǒng)。雙目視覺系統(tǒng)需要兩臺攝像機(jī)，經(jīng)濟(jì)成本較高，是單目系統(tǒng)的兩倍。雙目系統(tǒng)的架設(shè)難度和標(biāo)定的準(zhǔn)確度和復(fù)雜度都很高。采用單目視覺系統(tǒng)，雖然會丟失縱深信息，并且系統(tǒng)的魯棒性不高，但可通過采集周圍環(huán)境信息、周邊物體的距離信息，并設(shè)計魯棒性較高的算法來彌補(bǔ)不足。本文設(shè)計的成像技術(shù)方法是基于單目視覺系統(tǒng)的。

1.1 單攝像機(jī)監(jiān)控成像系統(tǒng)

單目視覺系統(tǒng)中只有一個攝像機(jī)。三維場景通過攝像機(jī)變?yōu)槎S平面圖像，三維場景的縱向信息丟失。單目視覺系統(tǒng)中的攝像機(jī)所記錄的亮度信息是一個3D場景的透視投影，遵從于透視投影模型，即針孔模型[6]，如圖1所示。

圖1中的O點是相機(jī)鏡頭，光線從O點進(jìn)入，在相機(jī)成像面上成像。對于成像面上的像點B，它可能是空間中A點在成像面上的投影，也可能是射線BO的延長線上任意一點在成像面上的投影。因此A點的位置不能確定，只知道它在射線BO的延長線上。要確定A點的三維坐標(biāo)，必須要其他已知數(shù)據(jù)，如對相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定等。

1.2 監(jiān)控場景的分析

通過架設(shè)在變電站內(nèi)的監(jiān)控攝像機(jī)所拍攝到的監(jiān)控場景如圖3所示，道路兩邊的電力設(shè)施通常電壓都很高，工作人員不能用手直接接觸的。并且這些變電設(shè)施很少需要更換或維修操作，對電力系統(tǒng)工作人員來說，更多的是對于這些變電設(shè)施的巡檢工作。在巡檢過程中，一旦工作人員離開道路靠近變電設(shè)施，就有可能產(chǎn)生安全隱患，因此針對電力設(shè)施作業(yè)過程中人員目標(biāo)的監(jiān)控主要集中在對人員目標(biāo)位置參數(shù)的獲取。

2 人員目標(biāo)位置的計算

根據(jù)1.1的分析，監(jiān)控攝像機(jī)所拍攝到的圖像只包含了監(jiān)控場景的二維信息，在縱深方向上的三維信息丟失了。為了彌補(bǔ)丟失的信息，建立監(jiān)控圖像二維坐標(biāo)和實際監(jiān)控場景三維坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，需要在計算之前先獲取實際監(jiān)控場景中的一些標(biāo)志物的位置和尺寸數(shù)據(jù)來進(jìn)行標(biāo)定。在現(xiàn)有的計算機(jī)視覺計算理論體系中，常用的方法如Zhang等人提出的標(biāo)定法[7]，需要獲取監(jiān)控場景中已有目標(biāo)的位置和高度參數(shù)、攝像機(jī)自身的焦距和CCD尺寸參數(shù)，通過基于攝像機(jī)針孔模型的幾何光路分析，完成對侵入目標(biāo)參數(shù)的計算。

如果在計算之前，事先對監(jiān)控攝像機(jī)所拍攝的監(jiān)控場景做出標(biāo)定，獲取足夠多的先驗數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)完成圖像二維坐標(biāo)和實際場景三維坐標(biāo)之間對應(yīng)關(guān)系的建立，就可以擺脫攝像機(jī)內(nèi)部參數(shù)的標(biāo)定工作，因為這種標(biāo)定通常較為困難。通過這種方法計算人員目標(biāo)的位置參數(shù)，先驗標(biāo)定數(shù)據(jù)獲取的越多，計算結(jié)果的精度就會越高。

圖2 變電站內(nèi)監(jiān)控場景圖Fig.2 Surveillance image of an electricity substation

2.1 先驗標(biāo)定數(shù)據(jù)的獲取

在如圖2所示的監(jiān)控場景中，人員目標(biāo)的活動范圍限定在路面上，因此需要對于整個路面所在的二維平面做出標(biāo)定。

如圖3所示，從路面的最近端到最遠(yuǎn)端，每隔一段距離就進(jìn)行一次標(biāo)定物的擺放，擺放分為左右兩個位置，兩個位置之間的距離是固定的。每次擺放都進(jìn)行標(biāo)定圖片的拍攝。用激光測距儀測出每一個標(biāo)志物擺放位置到監(jiān)控攝像機(jī)的距離，將其作為標(biāo)定先驗數(shù)據(jù)記錄下來。針對每一張標(biāo)定圖片，其中標(biāo)志物的圖像x坐標(biāo)和圖像y坐標(biāo)都需要手動從標(biāo)定圖片中獲取，這些像素坐標(biāo)也要作為先驗數(shù)據(jù)。

圖3 標(biāo)定標(biāo)志物的擺放示意圖Fig.3 Locations of markers for calibration

2.2 人員目標(biāo)位置參數(shù)的計算

基于2.1中獲取的先驗標(biāo)定數(shù)據(jù)，首先建立圖像二維坐標(biāo)和實際場景三維坐標(biāo)之間的對應(yīng)關(guān)系，也就是進(jìn)行三維場景建模，然后根據(jù)該模型計算人員目標(biāo)的位置參數(shù)。

在如圖2所示的監(jiān)控場景中，需要計算的位置參數(shù)包括兩個：一是人員目標(biāo)距離監(jiān)控攝像機(jī)的水平距離L，二是人員目標(biāo)距離道路兩旁電力設(shè)施的距離M。根據(jù)L和M的計算結(jié)果，和實現(xiàn)確定好的安全區(qū)域預(yù)警參數(shù)進(jìn)行比較，就可以判斷出當(dāng)前人員目標(biāo)是否出現(xiàn)危險位置。

在本例中，如圖3所示，將每一次標(biāo)定物所擺放位置的圖像坐標(biāo)y和實際標(biāo)定物距離監(jiān)控攝像機(jī)的水平距離對應(yīng)起來，如表1所示。然后根據(jù)表1所示的數(shù)據(jù)，將所有的標(biāo)定物圖像坐標(biāo)y和標(biāo)定物水平距離L對應(yīng)起來，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到L-y曲線，如圖4所示。一旦得到L-y曲線，當(dāng)獲知了人員目標(biāo)在二維監(jiān)控圖像上的像素坐標(biāo)y之后，便可以計算出人員目標(biāo)在實際三維場景中距離監(jiān)控攝像機(jī)的距離L。

由于監(jiān)控場景中各個電力設(shè)施的位置基本上是固定不變的，因此可以通過人員目標(biāo)在圖像上面和電力設(shè)施之間圖像坐標(biāo)x的差來計算人員目標(biāo)距離電力設(shè)施的遠(yuǎn)近M。事實上，距離監(jiān)控攝像機(jī)越遠(yuǎn)，相同的x坐標(biāo)差代表著更長的距離，因此首先需要對不同遠(yuǎn)近程度下，圖像x坐標(biāo)所代表的實際長度做出標(biāo)定。

表1 L-y對應(yīng)關(guān)系表Tab.1 Correspondence between L-y

圖4 循Fig.4 Schematic drawing of L-y curve

在圖3所示的標(biāo)定物擺放過程中，左右兩個位置之間的距離固定為4.5 m，可以根據(jù)這個距離來標(biāo)定不同遠(yuǎn)近下圖像x坐標(biāo)所代表的實際長度。首先從圖像上獲取各個不同的距離下標(biāo)定物在圖像上的x坐標(biāo)，如表2所示。表2中，每一個距離上圖像x坐標(biāo)差值除以左右兩個標(biāo)定物之間的實際距離，便可以得到在某一個遠(yuǎn)近下1 m所代表的圖像像素數(shù)量P，將所有的P和標(biāo)定物水平距離L對應(yīng)起來，進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，可以得到P-L曲線，如圖5所示。根據(jù)P-L曲線，當(dāng)已知人員目標(biāo)距離監(jiān)控攝像機(jī)的水平距離時，便可以計算出在那樣一個距離上一個圖像像素所代表的實際長度是多少，然后根據(jù)人員目標(biāo)的圖像坐標(biāo)便可以計算出人員目標(biāo)距離道路兩旁電力設(shè)施的遠(yuǎn)近M。

表2 P-L對應(yīng)關(guān)系表Tab.2 Correspondence between P-L

圖5 P-L曲線示意圖Fig.5 Schematic drawing of P-L curve

2.3 人員目標(biāo)的安全區(qū)域預(yù)警

通過圖6來說明如何應(yīng)用2.2中的計算結(jié)果來進(jìn)行針對變電場內(nèi)監(jiān)控場景的人員目標(biāo)安全預(yù)警判定。左上角和右上角用紅線框住標(biāo)出的部分區(qū)域設(shè)定為危險區(qū)域，一旦人員目標(biāo)進(jìn)入即會發(fā)出安全預(yù)警信號。圖6中軸線左側(cè)的區(qū)域距離中軸線的距離數(shù)值設(shè)定為負(fù)值，右側(cè)設(shè)定為正值。所劃定的危險區(qū)域為距離攝像機(jī)水平距離為大于38 m的區(qū)域，同時距離中軸線小于-2 m或大于4.5 m的區(qū)域。針對圖6中的3個人員目標(biāo)，從左至右分別標(biāo)為A、B、C，他們的位置參數(shù)計算結(jié)果如表3所示。從計算結(jié)果中看出，3個人員目標(biāo)均未進(jìn)入危險區(qū)域。

圖6 人員目標(biāo)安全區(qū)域預(yù)警示意圖Fig.6 Schematic drawing of safety region for staff

表3 人員目標(biāo)安全區(qū)域預(yù)警結(jié)果表Tab.3 Safety warning results for staff

3 結(jié)論

文中提出了基于先驗標(biāo)定數(shù)據(jù)的單攝像機(jī)電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場的安全區(qū)域預(yù)警方法。該方法首先對電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)定，獲取足夠的先驗標(biāo)定數(shù)據(jù)，然后基于先驗標(biāo)定數(shù)據(jù)完成二維圖像坐標(biāo)和三維場景坐標(biāo)之間對應(yīng)關(guān)系的建立，計算電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場內(nèi)人員目標(biāo)的位置參數(shù)，根據(jù)預(yù)先確定的電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場安全區(qū)域參數(shù)，判斷當(dāng)前電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場的狀態(tài)，提出安全預(yù)警信號。該方法應(yīng)用穩(wěn)定準(zhǔn)確，在電力設(shè)施作業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控方面有廣大的應(yīng)用前景。

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A precaution method based on 3D scence model for power equipment security

PENG Bin1,MA Li-qun1,PAN Jian-yue2,ZHANG Yuan-xin3,CHEN Xi3
（1.Lin’an Power Bureau,Lin’an 311300,China;2.Hangzhou Power Bureau,Hangzhou 310009,China; 3.Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China）

In the process of power facilities on-site operations,the location of staff should be obtained for security warning.An algorithm based on three-dimensional(3D)scene calibration technique was proposed for precaution.Firstly,the priori calibration data was extracted from the surveillance video and work field;secondly,the 3D scene model was established based on the fitted priori data;and then,the actual location of staff was computed and compared with the precaution parameters to confirm the present on-site situation.This method has been proven in field,it is accurate and stable.The location of staff can be computed correctly and the safety warning signal can be sent out in time.

power equipment;video surveillance;3D scene;calibration;precaution

TN384

A

1674－6236（2015）10-0065-03

2014-09-04 稿件編號：201409037

國家自然科學(xué)基金資助項目（9092003）

彭 斌(1975—)，男，湖北宜昌人，高級工程師。研究方向：信息化管理及信息技術(shù)。