CN103824277A - 基于非线性参数优化标定的变电站三维实景监测布点方法 - Google Patents
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Abstract
基于非线性参数优化标定的变电站三维实景监测布点方法：导入三维变电站物理模型；基于模型获取待监控区域范围，确定摄像机的类型与物理参数；进行基于待监测区域的位置假设检验：在待监控区域边界上选择三个监测点，计算这些点的坐标，基于模型坐标系与摄像机坐标系之间关系，求出摄像机在三维空间中的物理位置和方位；基于摄像机物体定位的假设验证：基于透视投影原理，分析摄像机运动轨迹成像画面与所覆盖三维空间实体区域的关系，通过可视化比较摄像机投影的三维空间实体区域与待监测区域。本方法在保证与传统的方法具有同样大小的监测区域的同时，优化了***配置，节省了不必要的设备投入。
Description
技术领域
本发明涉及一种变电站区域电力设备工作状态和场景三维实景摄像机监控的监测布点方法，尤其是涉及一种变电站区域电力设备工作状态和场景可视化监测的基于非线性参数优化标定的变电站三维实景监测布点方法。
背景技术
从“十一五”后期开始，智能变电站已经成为智能电网的重要组成部分，特别是无人值守变电站向高等级变电站的演进，需要与之配套的变电站场景的全方位监测监控，包括电力设备与环境两大部分。因此合理的三维视频监控点的合理布局是工程设计中需要解决的技术难题之一。所谓监控点的合理布局是指根据待监测区域，合理的确定摄像机的数目、位置和方位，并在与之符合的三维实景模型上进行方案的仿真验证，实现无死角的区域监测。该技术方案可用于指导变电站实际工程建设。
传统的变电站场景视频监控点的布局建立在目测的基础上，并根据不同等级的变电站给出指导性的设计方案。这样的方案的固有缺陷是：（1）未能有效地结合每个不同的变电站的实际情况，带来的问题是设备投入量大，却仍然存在监测死角；（2）对重点监控对象照顾不周，给出的图像或视频信息不够清晰；（3）各个摄像机彼此之间协同不足，不能构成完整的变电站场景的三维图像。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，就是提供一种基于非线性参数优化标定的变电站三维实景监测布点方法，能有效地结合每个不同的变电站的实际情况，设备投入少却能实现无监测死角；对重点监控对象照顾周到，给出的图像或视频信息足够清晰；各个摄像机彼此之间协同配合，构成完整的变电站场景的三维图像。
解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于非线性参数优化标定的变电站三维实景监测布点方法，其特征是：包括以下步骤：
1）导入变电站三维物理模型到unity3d开发引擎中，基于变电站三维物理模型获取待监测区域坐标范围，在***中通过拉框选择获取其范围的最小坐标值和最大坐标值；确定摄像机的类型与物理参数；
2）基于摄像机的透视投影变换，得到公式（1）所示的摄像机内参数矩阵，其中包括摄像机垂直视角
成像宽高比
摄像机近裁剪面和摄像机远裁剪面
等4个未知参数：
不失一般性，假设摄像机镜头采用1/3英寸，成像宽高比是4/3；
与
为模拟摄像机默认参数；定义
为焦距，
为图像宽度，
为图像高度，则摄像机内参数是：
3）基于视点变换，得到公式（2）所示的外参数矩阵，该过程对应于将摄像机置于场景中获取视频画面：
设定
则
其中
是正交矩阵，满足如下约束条件：
依据摄像机成像原理，按照公式（3）计算转换坐标：
4)基于待监测区域的位置假设检验：在待监测区域边界上选择三个监测点，计算这些点在模型坐标系下的坐标，得到如下所示关系：
其中，
为摄像机坐标系下模型的第
个点的坐标；将记作
则上式的矩阵形式是：
这里，
为第
个空间点的非齐次坐标；
基于欧氏变换和R正交矩阵约束条件进行方程计算，求出
并将
代入公式（5），可求出
根据
和
的值，由公式(2）转换得到摄像机位置
和方位
坐标；进行模型坐标系与摄像机坐标系的变换（平移、旋转）；求出摄像机在三维物理模型空间中的物理位置和方位；
5)基于摄像机物理位置的实景验证：结合每台摄像机的运动特点（即水平或垂直旋转角度）和视频图像的景深特性（光学变焦能力，标清或高清摄像机）获取摄像机成像画面，由此确定该摄像机所覆盖三维空间区域；根据成像逆变换原理（即摄像机成像平面坐标系到世界坐标系），进行摄像机成像边界几何元素到三维物理空间区域的实景验证；比较摄像机给出的三维实景空间与待监测区域，确定是否存在监视死角，以及是否存在多个摄像机的区域重叠覆盖；若存在上述问题，则回转到步骤2），重新确定新的监测位置点，继续进行检验，直至满足监测要求为止。
此时，确定的各个摄像机的位置和方位即为变电站最佳视频监视布点方案。
本发明基于摄像机运动轨迹成像画面与所覆盖三维空间实体区域的关系，通过摄像机成像边界几何元素的物体定位进行验证，确定各个摄像机的最佳布点方案。该方法已经在变电站工程建设中得到了应用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
传统的变电站场景监控是基于变电站基建图纸作业、结合实地考察确定的模式，属于目测布局方法。本发明是在变电站三维物理模型上通过技术分析和验证来确定每个摄像机的位置和方位，也包括每台摄像机的参数选择。这种方法在保证与传统的方法具有同样大小的监测区域的同时，优化了***配置，节省了不必要的设备投入。
从设计角度上看，本方案的精度取决于变电站三维物理模型与实际场景的契合度。整个方案设计过程均具有可视化特性，并且可以通过反复对比分析，选择最优的设计方案，由此也避免了多次进行实地场景勘测带来的资金浪费。尤其是对于那些地处偏远山区的变电站，本发明具有实实在在的工程应用价值。
附图说明
1)图1为透视投影变换示意图；
2)图2为视点变换示意图；
3)图3为摄像机成像模型示意图；
4)图4为物体定位与假设验证模型示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子，结合附图对本发明的各个细节进行详细描述。
本基于非线性参数优化标定的变电站三维实景监测布点方法，所涉及的参数计算和数据处理方法如下：
基于摄像机附图中图2所示的透视投影变换，得到公式（1）所示的摄像机内参数矩阵，其中包括摄像机垂直视角
成像宽高比
摄像机近裁剪面和摄像机远裁剪面
等4个未知参数：
不失一般性，假设摄像机镜头采用1/3英寸，成像宽高比是4/3；
r与为模拟摄像机默认参数。定义
为焦距，
为图像宽度，为图像高度，则摄像机内参数是：
基于附图中图3所示的视点变换，得到公式（2）所示的外参数矩阵。该过程对应于将摄像机置于场景中获取视频画面：
设定则
其中
是正交矩阵，满足如下约束条件：
依据摄像机成像原理如附图中图1所示，按照公式（3）计算转换坐标：
本发明的基于非线性参数优化标定的变电站三维实景监测布点方法，包括以下步骤：
1)导入三维变电站物理模型，基于变电站三维物理模型获取待监测区域范围；确定摄像机的类型与物理参数，摄像机选择范围：球机、网络固定摄像机、高清摄像机等；摄像机参数：摄像机的焦距，焦距范围，变倍值，成像元件尺寸，分辨率，水平和垂直旋转角度等。
2)进行待监测区域的位置假设检验：已知待监测区域的边界三个点的空间坐标信息，得到如下所示关系：
其中，
为摄像机坐标系下模型的第
个点的坐标；将
记作
则上式的矩阵形式是：
这里，
为第
个空间点的非齐次坐标；
基于欧氏变换和R正交矩阵约束条件进行方程计算，求出
并将
代入公式（5），可求出
根据
和
的值，由公式(2）转换得到摄像机位置
和方位坐标；
3)根据上一个步骤得出的摄像机的位置和方位坐标，进行物体定位的假设验证。方法是：基于透视投影原理，分析摄像机运动轨迹成像画面与所覆盖三维空间实体区域的关系，通过可视化比较摄像机投影的三维空间实体区域与待监测区域如附图中图4所示，确定是否存在监视死角，以及是否存在多个摄像机的区域重叠覆盖；若不满足则回转到步骤（2），重新计算摄像机的位置和方位坐标，继续进行验证，直到满足监测要求为止。
此时，给出的各个摄像机的位置和方位坐标即为变电站最佳视频监视布点方案。
Claims (1)
1.一种基于非线性参数优化标定的变电站三维实景监测布点方法，其特征是：包括以下步骤：
1)导入变电站三维物理模型到unity3d开发引擎中，基于变电站三维物理模型获取待监测区域坐标范围，在***中通过拉框选择获取其范围的最小坐标值和最大坐标值；确定摄像机的类型与物理参数；
基于摄像机的透视投影变换，得到公式（1）所示的摄像机内参数矩阵，其中包括摄像机垂直视角
成像宽高比摄像机近裁剪面和摄像机远裁剪面
等4个未知参数：
不失一般性，假设摄像机镜头采用1/3英寸，成像宽高比是4/3；
与为模拟摄像机默认参数；定义
为焦距，
为图像宽度，
为图像高度，则摄像机内参数是：
基于视点变换，得到公式（2）所示的外参数矩阵，该过程对应于将摄像机置于场景中获取视频画面：
设定则
其中
是正交矩阵，满足如下约束条件：
依据摄像机成像原理，按照公式（3）计算转换坐标：
2)基于待监测区域的位置假设检验：在待监测区域边界上选择三个监测点，计算这些点在模型坐标系下的坐标，得到如下所示关系：
其中，
为摄像机坐标系下模型的第
个点的坐标；将记作
则上式的矩阵形式是：
这里，
为第
个空间点的非齐次坐标；
基于欧氏变换和R正交矩阵约束条件进行方程计算，求出并将
代入公式（5），可求出
根据
和
的值，由公式(2）转换得到摄像机位置和方位
坐标；
进行模型坐标系与摄像机坐标系的变换；求出摄像机在三维物理模型空间中的物理位置和方位；
3)基于摄像机物理位置的实景验证：结合每台摄像机的运动特点（即水平或垂直旋转角度）和视频图像的景深特性（光学变焦能力，标清或高清摄像机）获取摄像机成像画面，由此确定该摄像机所覆盖三维空间区域；根据成像逆变换原理（即摄像机成像平面坐标系到世界坐标系），进行摄像机成像边界几何元素到三维物理空间区域的实景验证；比较摄像机给出的三维实景空间与待监测区域，确定是否存在监视死角，以及是否存在多个摄像机的区域重叠覆盖；若存在上述问题，则回转到步骤2），重新确定新的监测位置点，继续进行检验，直至满足监测要求为止。
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