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毕业设计开题报告

题目图像处理技术在路线覆冰检测中的应用研究

姓名钟志鹏

学号20127348

系部理工系

专业年级计算机科学与技术2班

指导教师柴桦

2015年12月1日

毕业设计开题报告

文献综述

一、研究课题的目的与意义

我国地域广阔，地形复杂，输电线路覆冰现象在我国较为广泛，我国许多地区都曾发生过覆冰灾害事故。

其中覆冰最严重的地区主要集中在贵州、湖南、湖北、江西、云南、四川河南等省份。

覆冰会引起导线舞动、杆塔倾斜倒塌、绝缘子闪路、线路跳闸短线等问题，严重影响电网的安全稳定运行。

2008年南方出现的严重冰雪灾害，由此引发的经济损失相当严重，并且严重影响了人民的正常生产生活。

因此随时掌握线路的现场覆冰情况，实时检测覆冰厚度，当覆冰量超过预设量时及时给出预警信号，迅速采取除冰措施对防灾害起着关键性的作用。

随着计算机网络技术，多媒体技术和信息技术的快速发展，数字多媒体信息（数字图像、数字音频、数字视频等）得到广泛的应用，随着我国经济建设速度的不断加快,用电负荷的逐年增加,电网可靠性也变得越来越重要,而输电线路覆冰则很大程度上对电网的可靠性以及安全运营造成了一定的威胁。

针对现在输电线路覆冰检测方法中的一些不足,在论文中提出了一种高度自动化的基于图像处理的输电线路覆冰检测方法。

论文中分析了输电线路覆冰的成因、影响因素、类型以及特点,介绍了基于主动轮廓模型的图像分割方法,在此基础上提出了基于图像处理的输电线路覆冰检测方法的总体方案。

这种方案可以自动采集图像并对图像进行处理分析最后将结果利用无线通信网络传送回控制调度中心。

论文重点介绍了对输电线路覆冰图像的处理方法以及输电线覆冰厚度计算方法。

首先介绍了覆冰图像的采集参数选择,然后详细介绍了图像灰度化、图像增强、图像空间滤波等图像预处理过程。

随后,论文分别介绍了采用传统的图像分割方法以及基于主动轮廓模型的图像分割方法,包括经典Snake模型、基于水平集方法的Snake模型分割图像的方法步骤,同时对这几种方法进行了试验,并对试验结果进行了对比分析。

接着,论文提出了一种计算输电线覆冰厚度的方法,包括成像模块的标定以及分析图像中输电线轮廓计算冰厚,然后介绍了验证试验的方法步骤并对此方法进行了试验,验证了此方法的可行性。

二、国内外研究的历史和现状

1.迄今为止，输电线路导线表面覆冰预防及检测方法仍是未找到理想解决方案的题，

受到国内外相关领域学者及工程师的广泛关注，加拿大还建立了专门线路来研究导线

覆冰机理和除冰技术。

环境条件因素的不同会导致导线覆冰形式也各不同，不同形式的覆冰具有不同的

物理性质。

不同形式覆冰的物理性质之间的差异还会很大程度上影响覆冰过程中的结

冰速率、冰形。

Farzaneh等人进行了一项研究，他们利用交流电流和直流电流两方

法融冰，对不同冰形、密度和重量的输电线路覆冰融冰所需的电压进行了试验，建立

了不同类型覆冰的物理性质的数据库，同时还研究了不同气候和气象条件对输电线路

覆冰类型的影响。

目前，检测输电路线覆冰的实时状态以及覆冰的严重程度主要依靠以下的几种方式：

（1）设立覆冰观测站：

在可能发生覆冰事故的重点区域设立人工职守站点，检

测输电线路相关情况。

（2）模拟导线法：

这种方法使用得较多，它是通过架设模拟测试架和模拟测试

线段，通过它们的覆冰来估计实际的输电线路上覆冰。

（3）在线遥测法：

这种方法是在线路上安装各类传感器来测量与覆冰有关的各

类参数，如力、温度、风速等，依靠人工定时采集各类实时数据，根据事先建立的数

学模型来测算估计输电线路上的覆冰情况和覆冰厚度，将结果通过移动通信网络，如

现在应用较多的GSM网络和SMS业务，发送至监控中心。

或者定时或实时检测输电线

导线的与覆冰有关的各类参数的变化，如力、金具绝缘子串等的倾斜角度、导线舞动

频率、气象参数等环境信息，将数据发送至监控中心，然后再使用计算机软件来分析

导线的覆冰状况以及覆冰厚度。

（4）视频监控法：

在容易覆冰的特殊区域安装监控摄像头，将现场实时画面传

送到监控中心，工作人员可以随时查看线路的实时或历史监控录像，从而实时检测输

电线路覆冰状况。

（5）图像监测法：

国内外现在有些研究已经开始注意到这种新的方法，尤其是

在2008年我过南方雪灾之后，国内开始出现大量关于这种方法的文献。

但总体而言，

目前国内外的研究多存在一定的局限性，且使用的图像处理方法比较传统，同时没有

对基于图像处理的输电线路覆冰监测做更加详细系统的论述，也很少对各自提出的方

法进行试验验证。

2.图像分割方法研究现状：

随着计算机技术的不断进步、图像信息技术不断取得

新的成果与突破，图像处理在各个领域都得到了十分广泛的英勇。

作为一个图像处理

领域的十分重要的研究方向，图像分割已经开始引起越来越多研究者以及越来越广泛

的专家与工程师的关注。

随着图像分割以及图像目标轮廓提取研究的不断深入，相继

出现了越来越多的各种不停的图像分割方法。

下面简要介绍一些目前被英勇得比较多

的图像分割及图像分隔轮廓提取方法：

（1）传统的边缘检测方法。

作为图像的一个基本特性，边缘是图像份额中利用

到的一个十分重要的根据。

边缘广泛存在于图像中目标区域之间，例如不同的对象之

间、对象与背景之间等等。

图像边缘像素的周为存在有像素灰度的阶跃变化或者是屋

顶变化。

这也是计算机图像处理搜索边缘的一个重要特征。

（2）现代的边缘检测方法。

随着相关研究的不断深入，一些新的边缘检测算法

被相继提出，这些算法基于一些不同的数学模型和理论。

很多新的边缘检测算法在不

断的引入新的数学研究成果，也在不断坐着不同的改进，目前应用较广泛研究较广泛

研究较多的主要基于小波理论、数学形态学、模糊数学、人工神经网络、遗传理论等

等。

小波理论是一种在时域和频域均具有较好局部性质的较新应用的数学方法，是英

勇在信息分析以及图像处理中的很实用的数学工具，它在图像的去噪等方面有较大的

优势。

近年来随着对小波理论研究的不断深入，利用小波理论进行图像分割的技术也

得到了较广泛的应用。

数学形态学方法也是一种抗噪性较好的方法，它属于非线性滤波方法之一，这种

方法用一定形状去提取图像中与相对应的机构元素，从而分割图像。

相对于传统的标

远检测方法，这种方法对背景噪音的抑制更好吗，边缘提取的效果也更优秀。

同时这

种方法也存在着如结构元素单一的问题等不足，在使用的时候需要尽可能多的考虑不

同的结构元素。

基于遗传理论的边缘检测方法依据的是遗传算法。

这种算法基于进化论自然选择

机制，是一种具有并行、统计、随机等特点的经优化后的方法。

这种方法虽然设计较

简单但功能却并不弱，已经有了较广泛的应用。

但这种方法也存在一定的不足，由于

在进化的过称中可能会难免产生一定程度的退化，导致运算处理的后期会产生一定的

波动，从而导致需要很多次迭代同时聚类的准确性也不太理想。

在使用这种方法的时

候需要根据这一点做一定的预防或是补偿措施。

（3）基于主动轮廓模型的图像分隔。

近来，很多研究都开始关注基于变分的图像

分隔与目标边缘轮廓提取方法，这种方法使用图像能量函数的最小化来诠释图像分隔

边缘轮廓提取的问题，同时将这个过称用偏微分方程表示，通过求解偏微分方程来实

现图像的分割。

与传统方法比起来，这种方法可以综合考虑多种因素，使图像分割和

边缘提取的结果更加自然。

基于主动轮廓模型的图像分割方法是现在应用较多的基于变分的算法。

他最大的

特点是在任何情况之下，一定能够等到一条目标区域的连续封闭的轮廓曲线。

这主要

是因为该方法的具体实现方式是在图像上设置一个相应的初始轮廓，然后在使图像能

量有数最小化的过程中不断移动初始轮廓，使其不断靠近真实的目标边界，最后经过

一定次数的迭代得到图像分割的结果。

基于水平集方法的主动轮廓模型则可以进一步客服传统模型中的一些缺陷，在得

到更多重视的同时，也取得了许多新的研究进展，本文后面的章节将有进一步的讨论。

三、选题依据

数字水印通过在数字作品中添加隐秘信息，可以在开放的网络环境中,保护版权和认证来源。

在数字产品的版权保护、商务交易中的票据防伪、声像数据篡改提示、隐蔽通信对抗等领域中都有广泛的作用[6]。

虽然数字水印的研究应用取得了一定的进展，但是目前数字水印技术的研究还不够成熟，市场上的数字水印产品在技术上还不完善，很容易被破坏或破解。

如现有的数字水印嵌入技术LSB（最低有效位方法）方法[7]、DFT（离散傅里叶变换域）方法、小波算法、混沌置乱方法[8]、SVD（奇异值分解）方法[9]等，在遭受攻击时，失真的可能性较大，而且攻击者可以根据嵌入算法推算出逆嵌入算法（提取算法）[10]，使数字水印的安全性遭受威胁，所以它们的鲁棒性和不可见性都有待提高，如何提高数字水印的安全性，鲁棒性和不可见性，是现在数字水印领域研究的重点和难题。

使用嵌入算法与水印置乱技术相结合的方法，即结合嵌入算法、水印置乱技术的优点，去除它们的缺点，可以大大提高数字水印的安全性、鲁棒性和不可见性。

所以对混合嵌入算法研究是具有重大意义的，可以推动数字水印技术的全面发展。

参考文献

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中国电力出版社，2007，122~146.

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[3]蒋兴良,易辉.输电线路覆冰及防护[M].北京:

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基于Snake模型的图像分割方法研究及应用[D].西安:

西安电子科技大学,2009.

[20]王庆有.图像传感器应用技术[M].北京:

电子工业出版社，2003:

88~90.

本课题要研究的目标和研究的基本内容

一、课题研究内容

数字水印技术是信息隐藏技术的分支，对保护数字多媒体产品安全起到了重要的作用，本课题是基于图像数字水印的研究，对数字水印是如何保护图像的安全性、图像水印的嵌入过程和提取过程展开了分析和研究，重点是研究开发一种新的图像水印嵌入算法，提高图像水印的鲁棒性和不可见性。

为推动数字水印的发展做出贡献。

由于现有的数字水印技术嵌入算法，存在鲁棒性和不可见性不高，容易被攻击者破解的缺点。

所以迫切需要研究一种新型的嵌入算法，提高数字水印的鲁棒性和不可见性，保证其安全性。

本课题的研究目标是研究一种新的基于图像的数字水印嵌入算法——基于幻方变换与DWT（离散小波变换）方法相结合的嵌入算法，提高数字水印的鲁棒性，不可见性和安全性。

并测试其正确性和验证其有效性。

三、课题实现方法

数字水印技术包括：

数字水印生成技术，数字水印嵌入技术和数字水印检测技术。

其中，前两项是数字水印技术的关键[11]。

图1水印信号的嵌入概念流程图

图2水印信号的提取概念流程图

1．数字水印生成技术：

在原始水印信息嵌入载体图像前，进行置乱，扩频，位分解，变换等预处理操作。

使水印信息能量分散，消除信息中相邻像素的空间相关性，既提高其安全性，又能提高其鲁棒性。

本课题将基于幻方变换和行列变换的置乱方法，对原始水印图形进行置乱处理，提高水印的隐秘性和安全性[12]。

2．数字水印嵌入技术：

把进行了预处理的水印图像嵌入到载体图像中的技术，包括对原始载体图像进行的变换域算法处理，或压缩域算法处理。

变换域算法中，DWT（离散小波变换）与DCT（离散余波变换）最为突出，DWT有不可见性好，鲁棒性好的特点，而DCT有不可见性差，鲁棒性好的特点，DWT与DCT相比，不可见性更好。

本课题将使用DWT方法对原始图像进行三成小波分解，通过将水印嵌入中频段和低频段的方法来增强水印的鲁棒性[13]。

图3本课题水印嵌入流程图

图4本课题水印提取流程图

本课题实现方法为:

（1）对幻方变换进行简单的描述，对幻方变换和行列变换，进行理论论证和实验论证。

（2）对现有的图像数字水印技术算法进行描述和实验论证，特别是对基于DFT的数字水印算法和基于DCT的数字水印算法，为对DWT三层小波分解嵌入方法研究打下理论基础，为编写变换算法代码和嵌入代码提供技术支持。

（3）对基于DWT的数字水印算法进行研究和改进。

综合以上对原水印图像的置乱技术（幻方变换），进行全过程的数字水印的嵌入实验和水印提取实验，包括置乱代码的编写，算法代码编写，水印嵌入和水印提取等实际操作。

（4）对实验结果进行攻击实验，包括对嵌入水印的图像进行噪声攻击，JPEG图像压缩，剪切，旋转等，然后对实验结果进行分析，评价其鲁棒性和不可见性[14]。

三、课题研究步骤

本课题具体研究进度安排计划如下：

开始时间

截止时间

内容

2013.11.20

2013.12.4

查找论题相关资料

2013.12.5

2013.12.19

仔细学习研读相关资料，进行总体设计

2013.12.20

2014.1.11

了解DFT、DCT、DWT和图像置乱技术，熟悉掌握MATLAB软件

2013.1.12

2014.2.3

运用MATLAB软件编写代码，对DFT数字水印算法、DCT数字水印算法进行实验论证

2014.2.4

2014.3.4

运用MATLAB开始编写水印嵌入算法（DWT）、水印图像置乱（幻方变换）代码，并进行水印的嵌入和提取实验

2014.3.5

2014.4.5

对实验后的嵌入水印的图像进行攻击，包括对嵌入水印的图像进行噪声攻击，JPEG图像压缩，剪切，旋转等，然后对实验结果进行分析，评价其鲁棒性和不可见性；开始撰写毕业论文

2014.4.6

2014.4.20

完成论文初稿，向指导老师提交论题作品

2014.4.21

2014.4.28

在指导老师的帮助下，对论题作品和论文进行修改和完善，并做最后的总结整理；提交最后审查

2014.4.28

2014.5.5

毕业答辩

指导教师意见

指导教师签名：

二〇一年月日

评议小组名单

组长：

组员：

、、

二〇一年月日

评议小组意见

①.论文选题：

□有理论意义；□有工程背景；□有实用价值；□意义不大。

②.论文的难度：

□偏高；□适当；□偏低。

③.论文的工作量：

□偏大；□适当；□偏小。

④.方案的可行性：

□好；□较好；□一般；□不可行。

⑤.对文献资料及课题的了解程度：

□好；□较好；□一般；□较差。

⑥.开题报告中反映出的综合能力和表达能力：

□好；□较好；□一般；□较差。

⑦.对论文选题报告的总体评价：

□好；□较好；□一般；□较差。

（在相应的方块内作记号“√”）

评议结论

评议小组组长签名：

二〇一年月日