输电线路区域移动目标追踪算法研究①

王洪亮，曹敏，陈先富，李仕林，张少泉，张林山

云电论坛获奖论文

输电线路区域移动目标追踪算法研究①

王洪亮1，2，3，曹敏1，3，陈先富1，李仕林1，张少泉1，张林山1

(1.云南电网公司电力研究院，昆明 650217；2.云南电网公司博士后科研工作站，昆明 650217；3.中国南方电网公司电能计量重点实验室，昆明 650217)

在给出追踪算法理论基础之上，实现输电线路区域移动目标的追踪。通过对运动追踪算法进行研究，分析了运动模板等算法的优缺点，并根据电网实际对象与需求研究了一种新型的CamShift算法，并给出了算法的思想与原理，最后进行了仿真实验以及实例演示，证明了该算法在移动目标追踪中的有效性和可行性。

追踪算法；输电线路；CamShift算法

0 前言

输电线路地域分布广，周期性巡视检修人力紧缺，同时输电网近年来的高速发展也使得人力资源的不足更加凸显，此外，由于输电线路安全问题如鸟害、树木疯长以及人员流窜等运动的行为大多都需要进行检测与追踪。根据不完全统计，2012年架空输电线路异物跳闸占输电线路跳闸总数的40.5%，是造成输电线路事故的主要原因。因此，开展对于输电线路运行环境移动目标监控，实现对外界运动信息的追踪是输电生产运行亟待解决的重要工作之一。

移动对象追踪首先分析所要研究的对象有没有移动行为，然后再对他的运动行为进行分析与描述。视频序列是具有一定时间连续性的图像帧序列 (人眼的识别速度为每秒24帧)构成的，于是视频目标检测的结果是按照一定的周期性对每一帧的图像进行检测并叠加的结果，所以就把一个对象的一个连续的动作分解成为一个个静止的图形的集合。

对运动物体的追踪目前已经在能够实际运用到各个研究学科上。比如远距离检测方面，生产的智能流水线控制，以及智能变电站巡检管理。综上所述，精确的对象追踪与分析，不仅仅是当前科学研究的必然趋势，对于电网实际生活与生产中，也可以作出指导，能够出色的应用于生活生产中去。

1 移动目标追踪算法

移动目标追踪是在任何一个时间点对物体运动状态未知的情况，根据系统采集的信息对目标的运动状态进行计算并推测结果，可以得到目标的运动趋势即指出运动的方向。这一研究在算法理论上和电力系统工程应用上非常具有实践意义。现在的追踪算法可以被分为基于边缘的目标追踪、基于图像帧的背景估计追踪、基于团块的目标追踪、基于模板匹配的区域追踪、基于轮廓线的目标追踪和基于多图像采集设备的追踪算法。现在最新研究成果提出的新的追踪算法有运动模板匹配法，Kalman预估法，基于分类器训练的Haar特征匹配算法以及基于运动模板的追踪算法等。

而以上移动追踪算法是针对一些简单的图像情况，其核心的思想是运动目标在相邻的两图像帧上存在一部分的像素点交集，简洁之处就在于不需要轨道分析和目标分析就可以把运动目标的方向、速度和运动的轨迹数据表示出来。然而不足之处在于该算法的准确度和清晰度有一定的局限性。因此，文中研究了CamShift追踪算法。

2 CamShift追踪算法

2.1 CamShift追踪算法思想

CamShift(ContinuouslyApativeMeanShift) 算法，是对MeanShift算法进行了改进，其基本的方法以目标的色彩特征信息作为追踪的依据，将第n幅图像的色彩信息经过计算处理返回到下一帧第n+1幅图像之中，从而计算出第n+1幅图像中的目标，并以第n+1幅图像为依据分析第n+2幅图像，重复这个递归过程，在时间上具连贯性。每次追踪都从最开始的基值开始，既保证了准确性，又节省不必要的重复调节的时间。CamShift算法流程用图1来表示：

2.2 CamShift追踪算法实现

实验设计了一个基于OpenCV的运动目标检测追踪实验平台，对来自于视频监控设备的视频流进行实时的分析，从而实现对移动目标的追踪。采用CamShift算法对彩色图像中的运动目标进行追踪，较好地解决目标的遮挡和重叠问题。接着运用OpenCV开发工具设计运动目标追踪软件，实现文中讨论并使用的目标追踪算法。

图1 CamShift算法的原理流程图

文中的硬件平台为普通的笔记本电脑，主频为1.8 GHz，内存容量为2G。视频设备为一个1 000万像素的外置摄像头。

2.3 操作界面的设计与制作

在逐个完成了各个功能部分并给出相应的实现方法以后，剩下的就是在VC平台上制作一个用户界面。为了方便用户使用，整块界面采用了分块处理，并根据功能的重要性设置了按键的大小和位置。

2.4 移动目标追踪示例

演示以作者本人作为运动目标进行的，其中阈值设定为：Vmin=10，Vmax=256，Smin=30。该算法在彩色目标的追踪应用上有简便，快捷，易用，且具备一定得精确度的优点。但同时也可以看到该算法对于目标面积大，统计分布特性好的目标具有较高的精确度，而相反的情况下却得不到好的表现。但如果在预知目标色彩分布的请情况下，可以通过调节3个阈值 Vmin，Vmax，Smin的值来提高精确度。

首先按定对彩色目标进行追踪的按钮，此功能可以追踪到运动物体的运动状态和运动趋势。当追踪窗口弹出时，先设定好需要追踪的物体的色阶值，然后用鼠标在追踪物体上点击并拖出大致的追踪范围，系统会自动识别该色阶范围内的追踪目标。当目标移出摄像头视野时，追踪会变为一个红色的小点，当目标再次进入摄像头视野并接近这个红色小点时，系统会再次识别出该目标。

以上先实现了目标的分割，对于彩色图像的追踪，选取了CamShift算法实现了对彩色目标的追踪。在采用CamShift算法运动目标追踪时，系统对于颜色较鲜艳的物体 (色彩和背景颜色相差较大或者目标物体色阶较高的情况)追踪效果更好，对背景颜色简单的图像追踪效果更好，体现为更好的实时性和鲁棒性。

3 结束语

文中就是在给出追踪算法理论基础之上，实现输电线路区域移动目标的追踪。文章首先通过对运动追踪算法进行研究，分析了运动模板等算法的优缺点，并根据电网实际对象与需求研究了一种新型的CamShift算法，并给出了算法的思想与原理，最后进行了仿真实验以及实例演示，证明了该算法在移动目标追踪中的有效性和可行性，这对后续研究有一定的指导意义。然而在对运动目标追踪的程序中，用户需要对提前设定追踪目标的色阶，这项操作在今后的深入研究中需要进行适当的调整，这项技术将被更广泛的运用于电力系统领域。

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曹敏，男，教授级高级工程师，云南电网公司首席技术科学家，享受云南省政府特殊津贴，全国电工仪器仪表标准化委员会电能测量和负载控制设备分技术委员会副主任委员，云南电网公司电力研究院，主要研究计量测试技术。

Research on Tracking Algorithms for Moving Target of Regional Transmission Lines Based on CamShift Algorithm

WANG Hongliang1，2，3，CAO Min1，3，CHEN Xianfu1，LI Shilin1，ZHANG Shaoquan1，ZHANG Linshan1
(1.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217；2.Postdoctoral Research Workstation of Yunnan Power Grid Corporation，Kunming 650217；3.Key Laboratory of China Southern Power Grid Energy Metering，Kunming 650217)

This paper achieve regional transmission lines moving target tracking based on the theory of tracking algorithm and analysis the advantages and disadvantages of tracking algorithms such as motion template though the research，then proposed a novel Camshift algorithm according to the needs of the real objects of grid.The ideas and principles of the algorithm also be proposed，finally the simulation examples and experiments demonstrate the effectiveness and feasibility of the algorithm to track moving targets.

tracking algorithms；regional transmission lines；CamShift algorithm

TM74

B

1006-7345(2014)05-0004-03

2014-08-23

王洪亮，男，博士、博士后，云南电网公司电力研究院，主要研究计量测试技术 (e-mail)whl010011＠163.com。

① 本研究受中国博士后科学基金项目(2013M540721)及国家高科技研究和发展规划 (国家 “863”项目 (2011AA05A120)的资助。