徐海寧 張引賢 陳 俊 唐 越 程 林

（舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

海底電纜區(qū)域熱成像視頻告警方法的研究

徐海寧 張引賢 陳 俊 唐 越 程 林

（舟山供電公司，浙江 舟山 316000）

本文以舟山朱家尖海纜熱成像視頻分析為研究對(duì)象，利用視頻進(jìn)行分析、計(jì)算建立海纜告警模型，并將理論建模與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證建模的正確性。本文研究?jī)?nèi)容可以為海纜全方位監(jiān)控提供技術(shù)支持。

熱成像；視頻識(shí)別；目標(biāo)定位；視頻告警

海底電纜保護(hù)區(qū)水域安保監(jiān)控一直是電力運(yùn)行維護(hù)的重點(diǎn)，伴隨AIS船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)與雷達(dá)識(shí)別技術(shù)的普及應(yīng)用，海底電纜保護(hù)區(qū)水域安保監(jiān)控力度也隨之提高［1-2］，但在惡劣天氣下仍存在部分船舶監(jiān)管不到位情況，而熱成像技術(shù)可以最大程度的識(shí)別惡劣天氣下的船舶并及時(shí)發(fā)出違章錨泊告警，防止海纜海纜受到外力損壞。

本文運(yùn)用視頻分析技術(shù)，根據(jù)熱成像設(shè)備工作環(huán)境，建立視頻目標(biāo)的錄取、跟蹤、定位及告警體系，結(jié)合海纜保護(hù)區(qū)熱成像歷史或?qū)崟r(shí)視頻數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的正確性，為保護(hù)區(qū)監(jiān)管的智能化管理提供數(shù)據(jù)支持。一種基于熱成像的視頻告警方法，包括：熱成像監(jiān)控、視頻分析、目標(biāo)定位、告警步驟。通過(guò)對(duì)熱成像數(shù)據(jù)，對(duì)視頻中的船舶目標(biāo)實(shí)現(xiàn)錄取及跟蹤，并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的地理坐標(biāo)定位，即船舶在水面的位置定位，以此獲取船舶的航行數(shù)據(jù)。結(jié)合海纜保護(hù)區(qū)域報(bào)警規(guī)則，對(duì)違反規(guī)則的船舶產(chǎn)生告警信息。

1　成像設(shè)備選型及原理介紹

1.1設(shè)備選型

紅外熱成像設(shè)備采用紅外熱成像技術(shù)，探測(cè)目標(biāo)物體的紅外輻射通過(guò)光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理等手段，將目標(biāo)物體的溫度分布圖像轉(zhuǎn)換成視頻圖像［3］。紅外熱成像設(shè)備可分為非致冷型和致冷型兩類(lèi)。致冷型的雖熱靈敏度高但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費(fèi)用高一般用于軍事等用途，而非致冷型性?xún)r(jià)比高一般用于民用領(lǐng)域。對(duì)于海島之間鋪設(shè)的電纜距離一般從幾千米到幾十千米，因此開(kāi)發(fā)非制冷紅外技術(shù)開(kāi)便攜式紅外熱成像儀，在夜間和大霧、臺(tái)風(fēng)等惡劣環(huán)境下的中短距離下即可滿(mǎn)足監(jiān)管要求。

1.2設(shè)備成像的原理

紅外熱成像技術(shù)是一門(mén)獲取和分析來(lái)自非接觸熱成像裝置的熱信息的科學(xué)技術(shù)。通過(guò)物體熱特性的原理，用圖片的方式將物體識(shí)別、顯示出來(lái)。

我們通常所說(shuō)的紅外線(xiàn)是指把波長(zhǎng)小于紅色波長(zhǎng)1000μm而大于0.75μm這一區(qū)間的電磁波，也被稱(chēng)為“紅外輻射”，現(xiàn)在采用的一般紅外線(xiàn)熱成像設(shè)備使用的波段為：長(zhǎng)波（8～14μm）、短波（3～5μm）。

下面的二維畫(huà)面（如圖2所示）可以直觀(guān)的體現(xiàn)被測(cè)范圍所有點(diǎn)的溫度分布情況，同時(shí)還可以比較處于同一區(qū)域的物體的溫度并可以查看兩點(diǎn)間的溫差等?，F(xiàn)在我們可以將溫差數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)诫娔X中并進(jìn)行分析監(jiān)控。

圖1　電磁輻射頻譜圖

圖2　紅外熱成像測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

史蒂芬-波茲曼定律給出了黑體的輻射能量與其溫度的關(guān)系，即

式中，σ =5.67×10-8W/m2K4；T為絕對(duì)溫度，單位為K。

紅外熱成像設(shè)備的標(biāo)定正是基于這一理論基礎(chǔ)，在設(shè)定的環(huán)境條件下，用一定數(shù)量已知溫度的黑體進(jìn)行標(biāo)定。

紅外熱成像設(shè)備顯示的紅外圖像是物體紅外輻射的二維圖像化，它反映物體表面的溫度分布狀況，但要想準(zhǔn)確測(cè)量圖像中物體各點(diǎn)的溫度，還要對(duì)一些物體參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2　建模流程

熱成像視頻告警主要包括視頻接入、視頻分析、告警監(jiān)測(cè)三部分。視頻接入模塊即為從熱成像攝像機(jī)獲取視頻，完成從硬件獲取數(shù)據(jù)到軟件數(shù)據(jù)處理的過(guò)渡，以對(duì)視頻進(jìn)行進(jìn)一步分析。視頻分析主要包括特征提取模塊，錄取跟蹤模塊、目標(biāo)定位模塊。特征提取模塊主要是對(duì)采集到的視頻流進(jìn)行圖像特征提取工作，以期獲取到圖像中的所有前景點(diǎn)信息。錄取跟蹤模塊通過(guò)圖像前景點(diǎn)特征實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別、錄取及跟蹤工作。目標(biāo)定位模塊主要對(duì)跟蹤的目標(biāo)在圖像中的位置及攝像機(jī)的基本信息實(shí)現(xiàn)目標(biāo)在大地坐標(biāo)位置的轉(zhuǎn)換工作，完成對(duì)目標(biāo)大小、位置、航向、航速的計(jì)算。告警監(jiān)測(cè)是只對(duì)跟蹤目標(biāo)的位置、航向、航速進(jìn)行檢測(cè)，判斷目標(biāo)是否違反設(shè)定的規(guī)則，若目標(biāo)違反了告警約束條件，則在目標(biāo)輸出信息中標(biāo)記為告警目標(biāo)，并及時(shí)以人性化的方式展示在用戶(hù)面前，達(dá)到告警目的。

熱成像視頻告警建模流程如圖3所示。

圖3　警建模流程圖

3　視頻分析

3.1視頻特征提取

前端采集到的視頻信息通過(guò)圖像分割技術(shù)將目標(biāo)從背景圖像中提取出來(lái)，在圖像分割中，我們可以通過(guò)一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)檢測(cè)一副熱成像圖像中的邊緣，并對(duì)灰度級(jí)別不間斷進(jìn)行疊加檢測(cè)，確切的說(shuō)被檢測(cè)圖像中的一個(gè)點(diǎn)是否是邊緣點(diǎn)可以用一階導(dǎo)數(shù)來(lái)確認(rèn)。同樣，判斷一個(gè)邊緣像素是在邊緣暗的一邊還是在亮的一邊可以用二階導(dǎo)數(shù)的符號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，圖像中的一階導(dǎo)數(shù)可用梯度算子來(lái)計(jì)算，二階導(dǎo)數(shù)可以使用拉普拉斯算子的得到。

梯度算子：基于各種二維梯度的近似值可以描述一副數(shù)字圖像的一階導(dǎo)數(shù)是。圖像 f（x，y）在位置（x，y）的梯度定義為下列向量：

在向量方程中可以看到，梯度向量指向在坐標(biāo)（x，y）的f的最大變化率方向。

在邊緣檢測(cè)中，向量的大小是一個(gè)重要的量，用f? 表示，即

這個(gè)量給出了在f?方向上每增加單位距離后f（x，y）值增大后的最大變化率。

另一個(gè)重要的量是梯度向量的方向。向量f? 在（x，y）處的方向角我們令α（x，y）表示。然后，通過(guò)由向量分析可以得到：

式中，以 x軸為基準(zhǔn)度量的是角度。邊緣在（x，y）處的方向與此點(diǎn)的梯度向量的方向是相垂直的。

計(jì)算圖像的梯度要基于每個(gè)像素位置都得到偏導(dǎo)數(shù)/fx??和/fy??。

拉普拉斯算子：二維函數(shù)f （x，y）的拉普拉斯算子是如下定義的二階導(dǎo)數(shù)：

在圖像分割中拉普拉斯算子所起的作用包括：①確定一個(gè)像素是在一條邊緣亮的一邊還是暗的一邊；②利用它的零交叉的性質(zhì)進(jìn)行邊緣的定位。

對(duì)于進(jìn)邊緣定位的作用，平滑過(guò)程與拉普拉斯算子一起被利用零交叉作為找到邊緣的前兆。函數(shù)如下

式中，δ 是標(biāo)準(zhǔn)差，r2=x2+y2。用一副圖像與該函數(shù)卷積模糊該圖像，δ 值決定了圖像的模糊程度。h關(guān)于r的二階導(dǎo)數(shù)是：

特征點(diǎn)提取效果圖如圖4所示。

圖4　特征點(diǎn)提取效果圖

3.2視頻錄取跟蹤

要完成對(duì)目標(biāo)的視頻跟蹤，首先要找到目標(biāo)的初始位置，即目標(biāo)的錄取工作。之后對(duì)已錄取目標(biāo)實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤。

船舶的特征具有一致性和穩(wěn)定性。一致性是指船舶作為一個(gè)整體，由于船體單側(cè)特征類(lèi)似，如船體構(gòu)造、溫度、光照等，船體在圖像中亮度特征相一致。穩(wěn)定性是指船體亮度、形狀、位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定性，該類(lèi)特征保證了船舶目標(biāo)可實(shí)現(xiàn)連續(xù)跟蹤。

目標(biāo)的錄取工作主要基于圖像特征點(diǎn)的區(qū)域分布特征。根據(jù)圖像中船舶的基本特征，對(duì)圖像中所有區(qū)域進(jìn)行搜索，通過(guò)區(qū)域特征點(diǎn)分布，判斷該區(qū)域內(nèi)是否存在可能為船舶的目標(biāo)，作為待錄取目標(biāo)。通過(guò)此方式可找到所有待錄取目標(biāo)，如圖5所示。

圖5　待錄取目標(biāo)圖

將待錄取目標(biāo)與已錄取并跟蹤的目標(biāo)進(jìn)逐一行匹配，并更新所有匹配的信息。對(duì)未完成匹配的已錄取目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，若目標(biāo)達(dá)到停止跟蹤調(diào)整，則停止對(duì)該目標(biāo)的跟蹤，否則準(zhǔn)備下次匹配。將未完成匹配的待錄取目標(biāo)添加至錄取目標(biāo)行列。此時(shí)，完成對(duì)目標(biāo)的錄取、跟蹤工作。

在對(duì)已錄取目標(biāo)跟蹤過(guò)程中，完成對(duì)目標(biāo)是否為船舶的判定。由于在圖像的特征提取中，水面浪花等特征區(qū)域不穩(wěn)定，因此通過(guò)檢測(cè)已錄取目標(biāo)的特征變化達(dá)到過(guò)濾水面干擾目標(biāo)的目的。同時(shí)，在跟蹤過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作。提取目標(biāo)圖如圖6所示。

圖6　提取目標(biāo)圖

3.3船只坐標(biāo)定位

要實(shí)現(xiàn)對(duì)船只的CCTV跟蹤定位及對(duì)航行中航速的判定，以及與系統(tǒng)的其他功能模塊相配合，則需要建立大地坐標(biāo)與視頻監(jiān)控圖像的像素點(diǎn)的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這可以通過(guò)有效的投影算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即可以實(shí)時(shí)計(jì)算出移動(dòng)中船舶目標(biāo)的經(jīng)緯度。

通常監(jiān)視船舶的攝像機(jī)都是安裝在一個(gè)岸邊的高處，以小于90°的傾角俯視水面。這種情況下，矩形的視頻畫(huà)面投影在水平面上是一個(gè)梯形區(qū)域，視頻圖像上的每一個(gè)像素，對(duì)應(yīng)的是從攝像機(jī)發(fā)出的一條射線(xiàn)，這條射線(xiàn)與水平面的交點(diǎn)即是這個(gè)像素在實(shí)際空間的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)。

如圖7所示的船舶目標(biāo)地理位置計(jì)算說(shuō)明圖，采集視頻畫(huà)面中的4個(gè)重要控制點(diǎn)，建立大地坐標(biāo)與視頻圖像任一像素位置的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣就可根據(jù)每幀圖像中所識(shí)別船舶目標(biāo)的像素點(diǎn)來(lái)獲得船舶的實(shí)時(shí)坐標(biāo)位置信息。

圖7　告警原理圖

4　告警監(jiān)測(cè)

對(duì)視頻監(jiān)控區(qū)域設(shè)定一定的報(bào)警規(guī)則，并對(duì)經(jīng)過(guò)該區(qū)域正在跟蹤中的船舶進(jìn)行告警檢測(cè)，若船舶觸發(fā)報(bào)警條件，則通過(guò)相關(guān)方式向管理員發(fā)送報(bào)警信息。如設(shè)置“視頻范圍內(nèi)停留超過(guò)5min且速度小于0.8節(jié)”報(bào)警規(guī)則，當(dāng)發(fā)現(xiàn)船舶觸發(fā)報(bào)警條件時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)聲音提醒、平臺(tái)展示等方式向管理員發(fā)送報(bào)警信息，未達(dá)到觸發(fā)報(bào)警條件的目標(biāo)則僅進(jìn)行平臺(tái)展示，不進(jìn)行報(bào)警操作。

5　結(jié)論

本文針對(duì)舟山供電公司朱家尖海底電纜進(jìn)行建模，利用熱成像設(shè)備識(shí)別船舶并疊加地理坐標(biāo)顯示、分析，在此基礎(chǔ)上，對(duì)識(shí)別的船舶進(jìn)行智能預(yù)警判斷，提高海纜風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別能力。利用本文的方法可以得到在給定工作環(huán)境下，及時(shí)預(yù)警船舶拋錨、施工作業(yè)等情況，提升海底電纜的保護(hù)能力。

［1］ 史令彬， 林曉波， 劉東露. 用于海底電纜免受過(guò)往船舶損壞的監(jiān)控裝置： 中國(guó)， 2012-02.

［2］ 梅小衛(wèi)， 何才豪， 黃小衛(wèi). 海南聯(lián)網(wǎng)工程海底電纜路由海面監(jiān)控方案研究［J］. 中國(guó)水運(yùn)： 下半月， 2011，11（11）： 86-87， 89.

［3］ 王瑞鳳， 楊憲江， 吳偉東. 發(fā)展中的紅外熱成像技術(shù)［J］. 紅外與激光工程， 2008（6）： 699-702.

Research on the Method of Video Alarm for the Laying Area of Submarine Cable

Xu Haining Zhang Yinxian Chen Jun Tang Yue Cheng Lin
（Zhoushan Electric Power Bureau， Zhoushan， Zhejiang 316000）

The submarine thermal imaging video analysis as the research object in this paper. Establish the submarine cable alarm model by video technology and computer technology. The theoretical modeling and field measured data are compared， which correctness of verification modeling. The research in the paper can provide technical support for the cable monitoring.

hermal imaging； video recognition； target location； video alarm

徐海寧（1983-），男，山東省煙臺(tái)市，碩士研究生，工程師，主要從事海纜運(yùn)行檢修工作。