專利名稱：一種SF₆泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電子學領域中的視頻圖像采集與處理技術，具體涉及一種基于紅外圖像的SF6泄露探測顯示系統(tǒng)。
背景技術：
SF6探測顯示系統(tǒng)所需處理的圖像數(shù)據(jù)量較大，系統(tǒng)不僅對運算能力有較高的要求，并且系統(tǒng)要求具有獨立性及便攜性，因此必須選用合適的硬件平臺，同時還要配以高效的軟件算法。DSP能實現(xiàn)高速圖像的實時處理，但對于處理完成的結果必須借助PC機保存和顯示，無法滿足系統(tǒng)獨立性和便攜性的要求。綜上采用TI公司的DSP芯片TMS320C6416進行系統(tǒng)軟件算法處理，其主頻W Hz，運算速度可達8000MIPS，運算速度滿足了算法的實時性要求。S3C6410是三星公司主推的一款基于ARMll核的低功率、高性能應用處理器，得到業(yè)內(nèi)廣泛應用，能夠滿足系統(tǒng)的顯示控制功能的需求。SF6氣體化學性質穩(wěn)定、在常態(tài)下無色無味，是世界上目前最優(yōu)異的滅弧和絕緣介質，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應用。但是隨著設備老化，泄漏事件時有發(fā)生，常規(guī)檢漏方法有定性量檢漏儀法、包扎法、刷肥皂泡法等，這些方法都需要停電作業(yè)，不僅工作量大，而且泄漏檢測也不夠準確。一般地，基于紅外圖像的檢漏定位算法有神經(jīng)網(wǎng)絡、圖像局部熵法、基于小波變換似然比檢測法、圖像流法等。這些算法計算量大、復雜度高，不易于硬件實現(xiàn)，無法滿足工程中實時性的要求。目前對于靜態(tài)背景下探測弱小目標，大都采用直接幀間差分法。但是紅外圖像由于光照變化及各種噪聲的影響，紅外圖像一般對比度低，觀察者難以探測到目標。而作為探測目標的SF6氣體為低溫氣體，氣體目標邊緣模糊，這樣更加大了探測的難度。在直接差分的圖像中除運動變化的目標點外的很多像素點上的值都不為零，為偽運動信息。為確保有效的抑制虛假運動的目標信號，采用將幀間差分的結果相乘，得到非常尖銳的相關峰，可作為檢測目標的中心點，能檢測出形狀、大小不變或近似不變的弱小目標。由于3&氣體是微弱變化的目標，并且氣體泄露后，根據(jù)當時的自然環(huán)境不同，氣體擴散飄移的形狀、 位置都是隨機的，并且泄漏氣體的面積逐漸擴大，只通過占少量像素尖銳的相關峰來確定目標，是非常不全面不穩(wěn)定的，有時甚至會出現(xiàn)漏檢的情況；如何能夠準確地探測到氣體微弱變化的泄露目標，同時兼顧考慮圖像處理的速度，提高系統(tǒng)的實時性，是目前需要解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有現(xiàn)有探測顯示系統(tǒng)采用DSP實現(xiàn)高速圖像處理的同時需要借助PC機顯示完成，無法滿足系統(tǒng)獨立性和便攜性的要求，并且現(xiàn)有SF6氣體泄露的檢測方法的計算量大、復雜度高，采用幀間差分法檢測存在漏檢、不準確的問題，提供一種SF6泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)。
一種SF6泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括長波紅外探測器、TVP5150視頻解碼模塊、TMS320C6416、S3C6410、TV監(jiān)視模塊、LCD顯示及觸摸屏模塊，所述長波紅外探測器對目標成像后輸出模擬視頻信號至TVP5150視頻解碼模塊，所述TVP5150視頻解碼模塊將模擬視頻信號轉化為數(shù)字視頻信號后傳送至TMS320C6416內(nèi)的DSP處理器，DSP處理器將處理后的數(shù)字信號通過TMS320C6416的HPI 口將數(shù)字視頻信號傳送至S3C6410，TMS320C6416 的另一個視頻數(shù)據(jù)采集口將數(shù)字視頻信號傳送至TV監(jiān)視模塊，所述S3C6410將圖像視頻信號傳送至LCD顯示及觸摸屏模塊顯示。本發(fā)明的有益效果一、本系統(tǒng)體積小巧，有具有獨立性和便攜性；可將實時的紅外視頻圖像在系統(tǒng)自帶的LCD上顯示，方便靈活，易于控制。系統(tǒng)自帶有存儲功能，這樣不需要借助主機，便可實現(xiàn)拍照、錄像等功能，并存儲在系統(tǒng)自帶的SD卡中。二、系統(tǒng)采用的多種算法的組合使得在探測過程中沿著微弱的氣體泄漏的運動軌跡快速將能量積累倍增后再進行最后的判斷，有效排除各種噪聲，增強擴大了變化的目標信息，有效的降低乃至消除了虛警率和漏檢率，增強了系統(tǒng)噪聲魯棒性；三、系統(tǒng)軟件算法運算量小、易硬件實現(xiàn)。并且系統(tǒng)開辟一塊緩存區(qū)，存儲連續(xù)的四幀圖像，每探測顯示完成一次，就采集一幀圖像數(shù)據(jù)，將緩存中的數(shù)據(jù)更新后再去探測， 每更新一幀圖像就完成一次探測，保證探測頻率與圖像幀頻一致，增強了系統(tǒng)的實時性。四、系統(tǒng)通過實時地獲得SF6泄漏的紅外視頻圖像，利用多幀紅外圖像差分倍增能夠探測出微量SFjtt漏，并根據(jù)泄漏量的不同分別用偽彩色標記顯示出來。無需將被檢測設備停止工作，這樣不僅節(jié)省時間及人力資源，還可降低SF6氣體的購買量。


圖1為本發(fā)明所述的一種SF6泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)框圖；圖2為本發(fā)明所述的一種SF6泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)中圖像處理的算法流程示意圖；圖3為本發(fā)明所述的一種SF6泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)中差分倍增原理圖；圖4為本發(fā)明所述的一種SF6泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)中采用偽彩色顯示泄露氣體的效果圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖1說明本實施方式，一種SF6泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)， 本嵌入式系統(tǒng)對泄露現(xiàn)場進行視頻圖像的采集，常溫下SF6氣體光譜透過率中，在紅外波段 SF6有一個以波長10. 56 μ m為中心的吸收帶，因此采用非制冷長波紅外(8 12 μ m)探測器進行成像。紅外探測器輸出的標準的PAL制式模擬視頻信號由TVP5150視頻解碼模塊進行解碼后輸出數(shù)字視頻信號提供給TMS320C6416內(nèi)的DSP進行處理。所述DSP將采集進來的數(shù)字信號按奇、偶場分別存儲，并將存儲設計為乒乓結構，使得DSP的讀取操作可與存儲體的寫入操作同時進行；TMS320C6416配置兩個視頻數(shù)據(jù)采集口，其中通過HPI 口可將視頻信號送往S3C6410的IXD控制寄存器，從而可以用IXD顯示屏進行現(xiàn)場顯示，另一個視頻數(shù)據(jù)采集口也可將數(shù)字視頻信號傳送至TV進行監(jiān)視。同時實現(xiàn)將現(xiàn)場拍照、錄像的數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)自帶的SD卡中。此外，系統(tǒng)設有手動調焦模塊，用戶可根據(jù)需要手動調焦。本實施方式所述的IXD顯示及觸摸屏模塊能夠顯示現(xiàn)場的視頻圖像，同時通過觸摸屏操作軟件界面，設置顯示系統(tǒng)時間、設置數(shù)據(jù)的存儲路徑、調節(jié)LCD顯示的亮度、實現(xiàn)拍照和錄像、實現(xiàn)對存儲的數(shù)據(jù)進行回放功能，并可將數(shù)據(jù)存儲在所述的SD卡中。本實施方式所述的DSP處理圖像的過程為采用穩(wěn)像后的四幀紅外圖像取平均值后再差分倍增的方法使差分圖像中變化的相關峰范圍更寬并且更加尖銳，增強了微弱的氣體泄露的信息，并且將其成倍放大，更加擴大了目標與背景殘留噪聲的差異。將差分倍增后的圖像的每個像素灰度值減去其圖像的平均灰度值后，再進行自適應閾值分割、形態(tài)學開運算及中值濾波等處理，最后通過偽彩色處理使泄露目標準確地得到探測和顯示。實現(xiàn)SF6 氣體的泄露探測和顯示。系統(tǒng)泄露的探測顯示頻率與圖像幀頻一致，增強系統(tǒng)的實時性。具體的圖像處理算法流程為根據(jù)圖2算法流程示意圖，首先連續(xù)采集四幀紅外圖像分別記為fl、f2、f3、f4，為了將紅外圖像中孤立的噪聲點去除需要先對紅外圖像進行均值濾波處理?？紤]到在探測SF6泄漏時，一般背景是固定的。但是如采用消除背景的方法， 系統(tǒng)成像的輕微抖動將會對探測結果有很大的影響，因此需要先進行幀間的穩(wěn)像和配準， 以克服成像時各種因素引起的抖動。本系統(tǒng)采用模板匹配法進行圖像的匹配。選取模板圖像M(x，y)其大小為mXn，F(xiàn)(x，y)為待匹配圖像大小為整幀圖像MXN，用M(x，y)在F(x， y)上移動，每移動一個位置，M(x，y)在所覆蓋的位置就有一個子圖像H(x，y)，計算M(x，y) 和H(x，y)的相關函數(shù)，找出其中的最大值，即為最佳匹配位置。大小為MXN，第k幀圖像，有下面的表達式F(i，j，k) = S(i，j，k)+G(i，j，k)+N(i，j，k)；F(i，j, k)為第k幀圖像在像素點(i，j)的總灰度值，S(i，j, k)為泄露的SF6氣體的灰度值，G(i，j, k)背景的灰度值，N(i, j, k)為圖像中噪聲的灰度值。噪聲N(i，j，k)是系統(tǒng)噪聲、光照不均勻和自然場景的微小變化產(chǎn)生的噪聲等各種噪聲的總和。噪聲與S(i，j, k)、G(i，j, k)不相關，它的空間分布是隨機的，幀與幀之間的分布也沒有相關性。我們采用多幀累加取平均值的辦法使圖像中背景起伏變小，能有效的抑制和削弱噪聲N(i，j, k)。這樣，我們在系統(tǒng)中開辟一塊緩存區(qū)，存儲連續(xù)的四幀圖像 Π、f2、f3、f4，將這四幀圖像對應像素值相加后取平均值記作AVR 4，再將f3和f4兩幀圖像對應像素值相加后取平均值記作AVR 2，這樣能抑制圖像中的噪聲，并將運動變化的目標能累積起來，突出小目標的累加能量，提高了圖像的信噪比，為快速有效地探測泄漏目標打下基礎。此時，圖像中除泄漏的目標信息S(i，j, k)外，還存在背景G(i，j, k)，因為之前進行了圖像的配準，此時可認為背景G(i，j, k)是不變的。我們再進行差分運算Iavr 4-avr 2|，背景G(i，j，k)去除，剩下了我們感興趣的目標S(i，j，k)。其他區(qū)域的像素點的值為零或接近于零。實際上RESO = AVR_4-AVR_2 = (f 1+f 2 + f 3 + f 4)/4-(f 3 + f 4)/2 = (Ifk-f3I +1f2-f4I)/4RESl = RESO-AVR (RESO的灰度平均值)我們在實際工程中，優(yōu)化算法后，直接求取 fl-f3| + |f2-f4的值。由于SF6*低溫氣體，在紅外圖像中泄漏目標比較微弱，此時準確探測目標還是有些困難。這里采用差分倍增法，將上面的差分結果乘以一個倍增因子α，所述α為大于4的正整數(shù)，倍數(shù)一般越大效果越明顯，但是過大也會把噪聲放大，α具體的值應該根據(jù)實際情況而定。其差分倍增算法原理結合圖3，在圖3中并和傳統(tǒng)簡單幀間差分、 差分相乘等算法做了比較，效果顯著。同時，利用緩存機制，克服傳統(tǒng)的幀間差分法采用的是固定幀長的積累，只有在每次接收完固定幀數(shù)(這里采用四幀圖像)后才能進行檢測，這樣就降低了檢測的幀頻。根據(jù)上面差分倍增的圖像，要想清晰的提取目標，我們將采用自適應閾值分割進行二值化處理，然后采用形態(tài)學開運算即先腐蝕再膨脹用于濾除圖像中區(qū)域小于結構元素的噪點。再用中值濾波進一步濾除噪聲點，提取出泄漏的目標氣體。當然，根據(jù)系統(tǒng)硬件條件、系統(tǒng)的成像質量等實際情況，也能選取更多幀的圖像，如6幀、8幀等多幀圖像進行處理，能得到更好的效果。結合圖4，對現(xiàn)場目標采集的紅外圖像，圖像大小為320ΧΜ0，現(xiàn)場圖像進行處理得到泄漏的氣體目標后，根據(jù)泄露量的多少，即灰度值的大小，采用偽彩色進行標記，其中1 表示紅色，代表泄露的氣體濃度最高，2表示藍色，泄露的氣體濃度偏低，3表示綠色，泄露的氣體的濃度最低。本發(fā)明所述的系統(tǒng)軟件算法運算量小、易硬件實現(xiàn)。并且系統(tǒng)開辟一塊緩存區(qū)，存儲連續(xù)的四幀圖像，每探測顯示完成一次，就采集一幀圖像數(shù)據(jù)，將緩存中的數(shù)據(jù)更新后再去探測，每更新一幀圖像就完成一次探測，保證探測頻率與圖像幀頻一致，增強了系統(tǒng)的實時性。本發(fā)明的系統(tǒng)移植了 WinCE 6.0嵌入式實時操作系統(tǒng)，軟件界面有好，可設置當?shù)貢r間并顯示、設置數(shù)據(jù)的存儲路徑、調節(jié)顯示屏的亮度、可實現(xiàn)拍照、錄像等功能，并能將現(xiàn)場采集的視頻、圖像存儲在系統(tǒng)自帶的SD卡中、可實現(xiàn)對存儲的數(shù)據(jù)進行回放等功能。同時， 系統(tǒng)設有手動調焦模塊，可自行調節(jié)焦距。
權利要求
1.一種SF6泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)，其特征是，該系統(tǒng)包括長波紅外探測器、TVP5150 視頻解碼模塊、TMS320C6416、S3C6410、TV監(jiān)視模塊和LCD顯示及觸摸屏模塊，所述長波紅外探測器對目標成像后輸出模擬視頻信號至TVP5150視頻解碼模塊，所述TVP5150視頻解碼模塊將模擬視頻信號轉化為數(shù)字視頻信號后傳送至TMS320C6416內(nèi)的DSP處理器，DSP 處理器將處理后的數(shù)字信號通過TMS320C6416的HPI 口將數(shù)字視頻信號傳送至S3C6410， TMS320C6416的另一個視頻數(shù)據(jù)采集口將數(shù)字視頻信號傳送至TV監(jiān)視模塊，所述S3C6410 將圖像視頻信號傳送至IXD顯示及觸摸屏模塊顯示。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種SF6泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述IXD顯示及觸摸屏模塊能夠顯示現(xiàn)場的視頻圖像，同時通過觸摸屏操作軟件界面，設置顯示系統(tǒng)時間、設置數(shù)據(jù)的存儲路徑、調節(jié)LCD顯示的亮度、實現(xiàn)拍照和錄像、實現(xiàn)對存儲的數(shù)據(jù)進行回放功能，并可將數(shù)據(jù)存儲在所述的SD卡中。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種SF6泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)，其特征在于，所述的DSP 處理圖像的過程為首先將多幀經(jīng)配準后的紅外序列圖像進行先取平均值后進行差分處理，其次將差分結果乘以倍增因子，再次對差分倍增后圖像減去平均灰度值后再進行自適應閾值分割、形態(tài)學開運算和中值濾波處理，最后通過偽彩色處理使泄露目標準確標定。
全文摘要
一種SF6泄漏的紅外探測顯示系統(tǒng)，涉及電子學領域，它解決了現(xiàn)有探測顯示系統(tǒng)采用DSP實現(xiàn)高速圖像處理的同時需要借助PC機顯示完成，無法滿足系統(tǒng)獨立性和便攜性的要求，并且現(xiàn)有SF6氣體泄露的檢測方法的計算量大、復雜度高，采用幀間差分法檢測存在漏檢、不準確等問題，采用ARM強大的控制能力結合DSP高速圖像處理能力，在診斷SF6泄漏的現(xiàn)場進行紅外視頻圖像的實時采集與顯示，將采集的多幀紅外序列圖像進行預處理、模板匹配、取平均值、差分倍增、自適應閾值分割、形態(tài)學開運算及中值濾波算法處理，并通過偽彩色將泄漏的SF6氣體清晰地顯示在系統(tǒng)的LCD屏上。本發(fā)明能夠高效準確地實現(xiàn)SF6泄漏的探測和顯示。
文檔編號G01M3/04GK102435397SQ20111026108
公開日2012年5月2日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權日2011年9月6日
發(fā)明者張艷超, 畢國玲, 許文斌, 趙建, 隋龍 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所