本發(fā)明屬于裝備維護(hù)保障領(lǐng)域，具體來說是一種利用改進(jìn)混合高斯模型對(duì)斷路器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測試的方法。

背景技術(shù)：

斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)特性是斷路器關(guān)鍵當(dāng)前狀態(tài)之一，運(yùn)動(dòng)參數(shù)識(shí)別是斷路器故障診斷的起點(diǎn)。結(jié)合已知的結(jié)構(gòu)特性、參數(shù)、環(huán)境條件及運(yùn)行歷史記錄，對(duì)斷路器進(jìn)行診斷，分析和判斷可能出現(xiàn)的故障，確定故障程度、性質(zhì)和類別，支持?jǐn)嗦菲鞯臓顟B(tài)維修工作。

國內(nèi)外的許多專家學(xué)者對(duì)于獲取斷路器運(yùn)動(dòng)參數(shù)的方法進(jìn)行了大量的研究，其測量技術(shù)最初主要采用示波器、電阻箱和電磁振蕩器等設(shè)備進(jìn)行，手工完成參數(shù)計(jì)算和曲線繪制，逐步發(fā)展到以模擬電路和數(shù)字電路為基礎(chǔ)，自動(dòng)化程度仍很低，測量誤差仍很大?，F(xiàn)在以計(jì)算機(jī)技為數(shù)據(jù)中心和控制處理核心，并致力于提高斷路器機(jī)械特性參數(shù)測試儀的準(zhǔn)確度和自動(dòng)化程度，但從基本均使用接觸式傳感器，不僅會(huì)對(duì)斷路器正常運(yùn)行造成影響，而且同樣會(huì)影響測量精度?；趫D像測量的斷路器運(yùn)動(dòng)特性測試是一種新方法，其非接觸性在高壓斷路器測試領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。在分析獲取的斷路器圖像時(shí)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測對(duì)于體現(xiàn)斷路器以動(dòng)觸頭為代表的操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：

一種基于改進(jìn)混合高斯模型高壓斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性檢測方法，本發(fā)明拍攝斷路器在真實(shí)運(yùn)行環(huán)境下對(duì)操動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的圖像信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在復(fù)雜背景中建立多峰分布的混合高斯模型，在現(xiàn)有混合高斯模型方法的基礎(chǔ)上，增加對(duì)變化像素點(diǎn)個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)，建立前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣；提出背景權(quán)值和系數(shù)，對(duì)現(xiàn)有背景模型分布確定方式進(jìn)行改進(jìn)；建立記錄像素判斷結(jié)果的計(jì)數(shù)器矩陣，剔除識(shí)別過程中出現(xiàn)的少量噪聲，并判斷斷路器運(yùn)動(dòng)過程的彈簧彈跳界限。通過對(duì)前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣的運(yùn)算，判斷運(yùn)動(dòng)狀況，獲取其運(yùn)動(dòng)軌跡，并計(jì)算高壓斷路器動(dòng)觸頭的開、合速度、行程并繪制其運(yùn)動(dòng)軌跡，獲得斷路器運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器運(yùn)動(dòng)特性的分析；首先對(duì)固定相機(jī)采集到的圖像信息進(jìn)行預(yù)處理，排除光照、噪聲等影響；其次，采用混合高斯模型進(jìn)行斷路器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)檢測，對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行運(yùn)算分析，最后根據(jù)識(shí)別結(jié)果分析出斷路器動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)特性。

具體步驟如下：

步驟1：對(duì)獲取的斷路器操動(dòng)過程灰度圖像序列，分別求取圖像像素灰度的直方圖，均衡化提高圖像的對(duì)比度，突出圖像中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別區(qū)域，并采用中值濾波法消除孤立噪聲點(diǎn)。

步驟2：對(duì)圖像序列中所有像素點(diǎn)建立混合高斯模型，生成前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣。

步驟3：混合高斯模型進(jìn)行在線學(xué)習(xí)和參數(shù)更新，同時(shí)對(duì)變化像素點(diǎn)個(gè)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，建立計(jì)數(shù)器矩陣，對(duì)變化的像素點(diǎn)的高斯分布匹配做相應(yīng)處理，通過計(jì)數(shù)器矩陣的變化確定彈簧彈跳界限。

步驟4：在確定背景分布的過程中加入背景權(quán)值和系數(shù)，分辨圖像中背景與前景，更新運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣并存儲(chǔ)。

步驟5：對(duì)混合高斯模型進(jìn)行目標(biāo)檢測后生成的相鄰兩幀圖像的前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣做差，進(jìn)一步求出斷路器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)形心，由形心位置坐標(biāo)差值確定運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度。

步驟6：繪制其運(yùn)動(dòng)軌跡，并最終獲得動(dòng)作特性。

附圖說明

圖1是混合高斯模型運(yùn)動(dòng)檢測過程流程圖

圖2是混合高斯模型算法流程圖

圖3是噪聲像素點(diǎn)的八鄰域示意圖

圖4是建立圖像坐標(biāo)系的方法示意圖

具體實(shí)施方式

本方法采用高清攝像機(jī)對(duì)斷路器開、合過程中絕緣拉桿的運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行采集，然后采用改進(jìn)的混合高斯模型對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，再此過程中建立前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣、計(jì)數(shù)器矩陣，結(jié)合攝像機(jī)參數(shù)和安放位置，斷路器絕緣拉桿的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行分析，進(jìn)而獲得斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性。

第一步，在合適位置安放高清攝像機(jī)，調(diào)整視野，使斷路器絕緣拉桿觀察窗位于視野中，測量攝像機(jī)到絕緣拉桿的水平距離。絕緣拉桿與動(dòng)觸頭是剛性連接，所以從絕緣拉桿的運(yùn)動(dòng)過程可以到動(dòng)觸頭的運(yùn)動(dòng)特性。啟動(dòng)攝像機(jī)，拍攝斷路器的開、合過程。

第二步，將獲取的斷路器操動(dòng)過程灰度圖像序列，分別求取圖像像素灰度的直方圖。圖像灰度等級(jí)為[0，255]，每一灰度級(jí)像元數(shù)所占百分比分別為P_x(0)，P_x(1)，……，P_x(255)。P_x(i)是灰度級(jí)為i的像元數(shù)所占像元總數(shù)的百分比，具有概率的含義(即連續(xù)函數(shù)時(shí)，P_x(i)可以理解為概率密度函數(shù))。均衡化后直方圖的面積為1，最小和最大灰度等級(jí)分別為g_min和g_max，那么均衡化后直方圖的長度為g_max-g_min。經(jīng)計(jì)算

即為直方圖均衡化公式。

第三步，對(duì)圖像序列中所有像素點(diǎn)建立混合高斯模型，圖像中像素點(diǎn)灰度值構(gòu)成一個(gè)向量序列，任意像素點(diǎn)(x，y)歷史像素值可以表示成為

{X₁，...，X_t}＝{I_k(x，y)：1≤k≤t}

式中，I_i(x，y)表示像素點(diǎn)(x，y)在時(shí)刻k的灰度值。

混合高斯分布模型適用K個(gè)高斯分布表示這些歷史值，像素X_t為當(dāng)前值的概率為

式中：ω_i，t是t時(shí)刻第i個(gè)高斯分布的權(quán)值，它反映高斯分布出現(xiàn)的比例，且有η(X_t.μ_i，t∑_i，t)是t時(shí)刻第i個(gè)均值為μ_i，t且協(xié)方差為∑_i，t的高斯概率密度函數(shù)；P(X_t)表示t時(shí)刻像素為X的概率；K為分布的個(gè)數(shù)，對(duì)斷路器前背景分辨時(shí)K可5，以減小背景突變、背景擾動(dòng)的影響。

混合高斯模型的初始建模以第一幅圖像每個(gè)像素灰度值作為均值，給一個(gè)較大的方差μ_i，0、較小的權(quán)值ω_i，0。建立前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣

其中，整幅圖像共有m×n個(gè)像素點(diǎn)，矩陣中每個(gè)元素位置與圖像中像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)，每個(gè)元素代表該像素點(diǎn)是前景還是背景，前景標(biāo)記為1，背景標(biāo)記為0。因此，將起始幀圖像全部標(biāo)記為背景

第4步，在初始建模的基礎(chǔ)上，對(duì)后續(xù)每一幀圖像每個(gè)像素值I_t與混合高斯模型中K個(gè)高斯分布分別匹配，如果滿足

|I_t-μ_k，t-1|≤τσ_k，t-1 k＝1，2，...，K

則I_t和該高斯分布匹配。式中，為使匹配更加精確，確定相似度的常數(shù)τ固定為2.5。

若I_t與混合高斯模型中一個(gè)或幾個(gè)高斯分布匹配，則影響原先的概率分布，更新與I_t匹配的高斯分布的均值和方差，并適當(dāng)增加權(quán)值。均值、方差、權(quán)值3個(gè)更新如下3個(gè)公式所示：

μ_k，t＝(1-ρ)μ_t-1+ρI_t

ω_i，t＝(1-β)ω_k，t-1+βθ k＝1，2，...，K

式中，α為參數(shù)更新率，滿足α＝βη(I_t|μ_k，t-1，σ_k，t-1)；β為學(xué)習(xí)率，為了減少背景噪聲，將β固定在一個(gè)較小的數(shù)值。

若I_t未與任何一個(gè)高斯分布匹配，則增加新的高斯分布，給一個(gè)較大方差和較小權(quán)值；分布個(gè)數(shù)超過最大值K時(shí)，則剔除一個(gè)當(dāng)前已存在的權(quán)重最小的高斯分布。

根據(jù)更新的權(quán)值對(duì)高斯分布重新排序，對(duì)權(quán)值做歸一化處理。處理過程為：

第5步，將已存在的K個(gè)高斯分布按照值從大到小排序，然后選取前B個(gè)，B滿足

式中，T為選取的閾值，選取前B個(gè)分布作為背景元素。其中λ為背景權(quán)值和系數(shù)，按照式

λ＝1.3^Tap

進(jìn)行更新。其中，Tag為分類標(biāo)記，初始值為0。

繼續(xù)對(duì)該像素點(diǎn)像素值與上述B個(gè)高斯分布進(jìn)行配檢測，如果與前B個(gè)高斯分布的任意一個(gè)匹配，則該像素點(diǎn)為背景點(diǎn)，否則為前景點(diǎn)，并更新分類標(biāo)記和前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣。前景點(diǎn)即為要識(shí)別的斷路器操作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。

根據(jù)該像素點(diǎn)背景、前景變換次數(shù)更新下一次分類標(biāo)記：

根據(jù)該像素點(diǎn)為背景還是前景更新前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣R_t，對(duì)應(yīng)位置為前景置1，背景置0。

將判斷為前景(斷路器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu))像素點(diǎn)在像素點(diǎn)矩陣出現(xiàn)頻率較高的背景像素值由權(quán)重較大的高斯函數(shù)描述，出現(xiàn)頻率較低的前景(斷路器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu))由權(quán)重較小的高斯函數(shù)描述。

在斷路器運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的測試過程中，其運(yùn)動(dòng)情況已知可分為兩個(gè)階段，第一階段為單一運(yùn)動(dòng)方向，即只從圖像的一側(cè)運(yùn)動(dòng)另一側(cè)；第二階段為動(dòng)觸頭撞擊及后續(xù)的彈跳。運(yùn)動(dòng)的第一階段在不考慮噪聲的情況下，像素點(diǎn)在背景與前景間變化只有以下三種情況：背景變?yōu)榍熬?、前景變?yōu)楸尘?、背景變?yōu)榍熬昂笤僮優(yōu)楸尘啊５诙A段為斷路器動(dòng)觸頭撞擊及后續(xù)的彈跳，為彈跳幅度不斷減小的不規(guī)則往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有部分像素點(diǎn)的判斷結(jié)果將在背景和前景間不斷變化。

建立計(jì)數(shù)器矩陣矩陣中每個(gè)元素與圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的位置對(duì)應(yīng)，用每個(gè)元素記錄像素點(diǎn)被判斷為背景或前景的變化次數(shù)，每進(jìn)行一次判定，都對(duì)計(jì)數(shù)器矩陣S_t進(jìn)行更新，更新方法為：

運(yùn)動(dòng)的第一階段，在計(jì)數(shù)器矩陣S_t中s_t，ij≤3。若存在s_t，ij＞3，則可判斷為噪聲。利用八鄰域去噪聲法對(duì)噪聲像素點(diǎn)進(jìn)行處理，修正前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣R_t。即對(duì)與判斷為噪聲的像素點(diǎn)相鄰的八個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將噪聲點(diǎn)修正成與相鄰八個(gè)像素點(diǎn)中大于或等于4個(gè)的相同分類，參見附圖3。

運(yùn)動(dòng)的第二階段，由于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)來回彈跳，在計(jì)數(shù)器矩陣S_t中將有大量元素值超過3。對(duì)超過3的元素個(gè)數(shù)n_s進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若

n_s＞T_s

則判定對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器矩陣S_t的那幀圖像為斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)彈跳界限，式中T_s為根據(jù)實(shí)際圖像分辨率設(shè)定的閾值。

第6步，取相鄰兩幅圖像的前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣R_tR_t-1做差，求得前景點(diǎn)標(biāo)記差矩陣

ΔR_t＝R_t-R_t-1

若差矩陣ΔR_t中元素1的個(gè)數(shù)小于閾值T_R，則判斷目標(biāo)無運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)對(duì)后續(xù)相鄰的前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣做差；直至計(jì)算出差矩陣中元素1的個(gè)數(shù)遠(yuǎn)大于閾值T_R，則判斷目標(biāo)開始運(yùn)動(dòng)。

由攝相機(jī)參數(shù)和擺放位置可計(jì)算得出圖像內(nèi)物體真實(shí)尺寸(長L×寬W)，則每個(gè)像素點(diǎn)代表的實(shí)際尺寸為

通過最靠邊界的四個(gè)被判定為前景的像素點(diǎn)所在行列圍成的矩形確定一個(gè)包含運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的完整區(qū)域。

以圖像兩臨邊為坐標(biāo)軸建立xOy直角坐標(biāo)系，圖像位于該直角坐標(biāo)系的第四象限，以每個(gè)像素點(diǎn)的尺寸為單位刻度，參見附圖4。

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的形心O_t計(jì)算公式為

式中x_i、y_i分別為前景點(diǎn)標(biāo)記矩陣R_t中1元素所在行和列，N為R_t中1元素的總個(gè)數(shù)。則運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的形心在圖像中坐標(biāo)為O_t(x_t，-y_t)。

根據(jù)相鄰圖像中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)形心的坐標(biāo)變化和相鄰兩幀圖像的采樣時(shí)間間隔，計(jì)算出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度：

式中，t₀為相鄰兩幀圖像的采樣時(shí)間間隔。

第7步，通過計(jì)算出的不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度以及攝像機(jī)參數(shù)、斷路器機(jī)構(gòu)尺寸等數(shù)據(jù)，進(jìn)一步計(jì)算斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性參數(shù)。