电力系统视频监控中目标检测与跟踪算法研究

摘要: 随着科学技术的发展，电力系统安全系数也越来越高，现在采用的有效手段一般是对变电站电力设备进行全天候实时监测。主要是按照视频监控技术的原理和特点，对视频监控系统中的两大关键技术运动目标检测和跟踪技术进行研究，并对运动目标检测和跟踪技术中常用的算法进行了探讨。本文首先对电力系统视频监控中目标检测算法进行分析，然后对电力系统视频监控中跟踪算法进行分析，最后对视频监控技术在电力系统中的应用进行了分析总结。

关键词: 视频监控、目标检测、跟踪算法

中图分类号：F407文献标识码： A

一、前言

视频监控技术是一种传统视频技术和现代通信技术相结合的技术。由于此视频监控技术直观、方便、信息内容丰富，所以被广泛应用于各行各业安全防范系统中。在进行电力系统监控中，视频监控主要是为了防火、防盗以及对变电站设备和周边环境进行监控的，这样变电站就不需要专人进行看管。视频监控系统主要是对规定的区域进行检测与定位作用，在进行视频监中使用最多的就是运动目标检测与跟踪技术。进行目标检测时为了更好的目标跟踪，目标检测是为了在监控视频中提取想知道的图像，而运动目标跟踪是提取所需要的目标进行跟踪、定位来达到应有的目的。

二、电力系统视频监控中目标检测

在进行电力系统视频监控中，监控的对象主要是对一些是静态背景检测。就世界的范围看，比较常用的目标检测算法主要有3种，包括光流场法、背景差法、帧间差法。

1、光流场法

通过计算位移向量来达到最开始的轮廓，并把他们融合当其他分割方法中的视频对象来进行检测方法就是光流场法。光流场法处理图像的理论是在1981年提出的，它的主要工作原理是: 在电力系统中，相邻的两个图像相隔的距离很小并且他们颜色的变化也很小的情况下，由于受到光流方程和全局平滑性因素的制约，就可以运用光流场算法来达到目标检测的目的。

2、 背景差法

背景差法主要是对选择好的视频背景中的图像，这些图像是有很多幅的，然后在那些图像中选择一个平均值或者比较好的作为背景图像来构建背景模型，再使用当前目标的图像与背景图像处理比较检测出区域。在电力系统视频监控的过程中要尽量减少背景的变化，同时也需要建立适合的背景模型。其中背景差法的重点就是怎么构建背景模型，然而对于构建背景模型，20世纪90年代末，科学家提出了统计的自适应平滑算法，就是为了减小光线变化以及受干扰动力的影响，随后又提出了自适应的混合高斯分布背景模型，主要是为了克服混合高斯模型无法适应背景快速。

3、帧间差法

在电力系统视频监控中，利用视频图像差异来达到分割视频的目标就是帧间差法，用多幅图像运动的结果来进行目标的差异比较，这样再进行目标检测和提取。在电力系统检测中经常使用的帧间差法有两种：两帧差分法和三帧差分法。在1985 年由Anderson 等人提出了帧间差法，他们利用该算法从在电力系统的实际操作视频中进行检测目标。后来根据相邻两帧差分算法对目标检测不完整，提出了三帧差分的算法，帧间差法在计算的过程中比较简单方便，同时具有很强适应性。但是这种方法对帧间时间间隔选取要求很严格，因此只能够提取到目标的边缘上。

三、电力系统视频监控中目标跟踪算法

利用目标的有效特征，在图像序列中寻找与目标模板最相似的候选目标的位置为目标定位。常用的运动目标跟踪方法有基于特征的跟踪、基于活动轮廓的跟踪和基于区域的跟踪算法等。

1、基于特征的跟踪算法

基于特征的跟踪算法主要是利用目标的局部特征进行匹配从而实现目标跟踪。在电力系统视频监控中常用的特征有目标边缘、角点、颜色特征等。边缘主要是运用Canny算法，角点主要是运用SUSAN 算法，颜色主要是运用 Mean shift 算法，这也是最常见的算法同时也是使用比较广泛的算法。

2、基于活动轮廓的跟踪算法

基于活动轮廓的跟踪算法主要是以提取运动目标的边缘轮廓作为该跟踪算法的模块，对电力系统后面的视频工作进行连续边缘轮廓更新的跟踪目标，更加有效的克服了干扰或被遮挡部分使得对视频监控的跟踪有了更好的掌控，这样能实时地进行跟踪。在电力系统进行视频监控中，常用的跟踪方法是主动轮廓模型。主动轮廓模型适用于可以进行变形的目标跟踪；同时模型也存在初始化轮廓问题，对图像产生的声音特别敏感，对那些快速运动的目标不能有效跟踪，并且不能正确或许边界。基于水平集方法的轮廓模型，就在很大程度上克服了轮廓模型对初始轮廓选取的敏感问题。梯度向量流轮廓模型，就是利用这种方法来解决无法捕获凹陷边界的问题

3、基于区域的跟踪算法

基于区域的跟踪算法是比较简单的算法,具体的算法就是利用几种比较简单的几何形状图像。把他们当成目标，然后把这些目标图像的其中一个与实时图像中所有可能发生的位置进行叠加，这样就可以计算两个图像的相似度量值，那么这个最大的相似性度量值位置就是目标的位置。基于区域的跟踪算法对多种目标进行跟踪，那样的效果会比较好，因为只能在这其中获得区域级的跟踪，在目标发生变形或不存在不能及时发现，就会导致目标跟踪丢失，就做不到实时跟踪。

四、视频监控技术在电力系统中的应用

视频监控技术主要的作用就是将变电站中摄像机拍摄的视频图像实时传送到控制中心，根据获取的情况进行目标信息，以此来实现对目标的识别、定位和跟踪，从而实现电力系统的安全防范。

1、电力系统视频监控的基本模式

首先由控制中心发送信号到以太网，这样变电站接收到终端发送的控制信号；然后利用 TCP/IP 协议技术来实现视频数据在网络上的传输并向控制中心实时传送，最后对视频数据进行运动目标的检测与跟踪计算的全过程就是电力系统视频监控。当控制中心接收到视频传送的数据以后，就需要对视频数据进行数据分析和处理。在进行算法比较以后，就选取背景差法和基于活动轮廓的模型法作为目标检测和跟踪算法，以此来实现对监控视频的分析、目标的检测以及跟踪。控制中心收集到一定的视频数据以后，再用背景差法进行目标检测，以此来确定目标检测的方法，然后用活动轮廓跟踪算法，同时在计算机上显示获取到的监控视频及监测到的目标，并对其进行定位。

2、电力系统视频监控实际运行系统

在电力系统视频监控中，对变电站设备的监控主要是通过安装在输电线路的摄像机来实现对输电线路以及附近区域的全方位监视的。在实际操作过程中，主要是运用监控中心、传输中心、变电站来对图像进行处理和配置，监控中心主要是采用服务器进行监控。其中后台管理软件主要是数据管理、视频信息管理、设备接口，采用的是微软公司的 SQL Server后台数据库，通过交换机与网络硬盘录像机相连，来实现视频信号的接收、存储和控制工作，以此达到数据的目标检测与跟踪。在网络传输运行中，变电站主要是监视终端，首先通过总线连接网络硬盘录像机，将实景目标存储到预计位置，然后把摄像机的视频数据传输到网络硬盘录像机中，通过网络传输到监控中心。其中数据处理系统主要是图像预处理、目标检测、目标跟踪，具体的流程是：首先将变电站的视频图像进行图像处理，然后对更新背景图像进行灰度值判定。当差分图像的灰度值较大时，说明达到了检测目标；然后就可以对目标轮廓进行初始化，能量的最小值就是轮廓的控制点，当轮廓在正常的情况下收敛即可以对检测目标进行跟踪。

3、电力系统视频监控的发展趋势

在电力系统进行视频监控的过程中，电力系统对视频监控的操作要求很高，那么视频监控技术的发展趋势是怎样的呢？

（1）视频监控技术算法精度的提高，要想达到这一目标，就应该不断优化目标检测与跟踪算法，提高监控技术的实时性。

（2）在电力系统视频监控中建立合适本身的监控模式，来提高视频监控的监测效率，减轻监控人员的工作量。

电力系统视频监控技术为实现变电站的无人值守和推动电力网的管理逐步向自动化、集中化和智能化方向发展提供了有力的技术保障。

五、结束语

综上所述，电力系统视频监控的技术主要有两个重点，目标检测与跟踪算法。本文主要对目标检测与跟踪算法进行了分析与比较。由于电力系统视频监控有它本身的特点和优势就会选取背景差法以及活动轮廓算法进行目标检测与跟踪算法。同时目标检测与跟踪算法在电力系统视频监控中不断完善与发展，这样就在一定程度上减轻工作人员的工作量，提高工作效率。

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