CN107907803A - 一种便携式的增强现实紫外成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式的增强现实紫外成像***。紫外光通过图像传感器形成多比特图像，将多比特图像进行二值化后再对紫外图像进行形态学等数字信号处理并传输到可见光摄像机，由后者进行无损紫外图像压缩存储；可见光经过成像模块输出高清晰度可见光视频图像，在可见光摄像机中形成三路独立的基于时间戳的数据，分别为紫外图像、可见光视频图像、OSD文字信息，其中紫外图像和可见光视频图像可以进行实时扫描全景拼接，在显示阶段将全景紫外图像、全景可见光图像和OSD文字信息通过时间戳同步融合显示。本发明有效扩大了仪器检测视野，可以实现增强现实放电检测，增强了直观可视化的故障定位能力，还可以借助手机与电力运维平台进行联动。
Description
技术领域
本发明属于电力***运维监控、放电检测、多光谱检测设备领域，具体涉及一种便携式的增强现实紫外成像***。
背景技术
日盲紫外探测的基本原理是太阳光谱中190—285nm波段的光线在穿过大气层的过程中，会被臭氧层完全吸收，无法照射到地球表面。一旦检测到日盲谱段紫外光，就能确定是人类的活动等非自然情况产生出来的紫外光，例如***开火、******、火灾和高压输电线漏电产生的电晕等。
输供电线路和变电站配电等设备在大气环境下工作，随着绝缘性能的降低、出现结构缺陷，或表面局部放电现象，电晕和表面局部放电过程中，电晕和放电部位会辐射大量紫外线。电晕放电会引起复合绝缘子退化，零部件受损，陶瓷绝缘子的金属帽子、钢钉和水泥受损，从而最终导致输供电的可靠性降低，引起电力***故障和事故。
针对以上情况，工业界发明出紫外成像仪检测设备，利用紫外分布成像与可见光传感器输出的视频进行融合，能显示紫外发光部位、光强，可以观察到发生放电的情况，使得电力检修人员能够定位放电的位置及强度。典型的普通的紫外成像仪示意图如图1所示，光线经过分光镜分为两路，一路进入可见光镜头，另外一路进入紫外镜头，经过日盲紫外滤镜、光电倍增管等投射到图像传感器上形成紫外图像，紫外图像信号与可见光图像信号进入中央处理单元融合处理，最终经过融合的图像进行存储和显示。现有专利文献中，公开号为CN202758016U、名称为“新型紫外成像仪”以及公开号为CN202676860U、名称为“一种紫外成像仪”的实用新型披露的都属于这种普通的紫外成像仪。
但上述紫外成像仪还存在着很多缺点。首先，紫外通道视野非常小，比如(水平×垂直视野为：6度×4.5度)在电力***检测使用中效率低、不方便、可用性差，难以确定故障位置，特别是在设备相似性非常高的变电站应用，普通紫外设备容易产生混淆的定位，可用性更差；其次采用的可见光成像传感器为普通标清CCD，图像分辨率低，成像缺少细节；另外紫外图像缺少有效的数字信号处理，对离散噪声抑制较弱、抗干扰差，不利于检修人员判定放电强度和位置；业界紫外成像仪的中央处理单元采用的是可编程阵列，该处理单元功耗大，封装大，最终集成的紫外成像仪体积大，待机时间短，既不利于检修人员便携，也不利于野外长时间检测。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种便携式的增强现实紫外成像***，将紫外图像通过数字信号处理去除离散噪声并进行形态学处理，汇聚紫外图像于集中放电区域，便于故障定位。通过实时对扫描图像进行全景拼接，形成全景紫外与全景可见光，并进行全景融合，以扩大仪器检测视野，增强直观可视化的故障定位能力。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种便携式的增强现实紫外成像***，包括紫外光成像通道和可见光成像通道。入射光线经过分光镜分为两路，一路通过日盲紫外滤镜，进入紫外光成像通道，另一路进入可见光成像通道。紫外光通过倍增管投影到高清CCD/CMOS图像传感器形成多比特图像，将多比特图像进行二值化后再对紫外图像进行形态学等数字信号处理并传输到可见光摄像机，由后者进行无损紫外图像压缩存储；另外一路可见光经过成像模块输出高清晰度可见光视频图像，在可见光摄像机中形成三路独立的基于时间戳的数据，分别为紫外图像、可见光视频图像、OSD文字信息，其中紫外图像和可见光视频图像可以进行实时扫描全景拼接，在显示阶段将全景紫外图像、全景可见光图像和OSD文字信息通过时间戳同步融合显示。
进一步，将多比特图像进行二值化处理前可以先经过自动曝光、自动增益控制、降噪的图像预处理。
进一步，上述形态学等数字信号处理后的紫外图像信号是通过高速串行总线发送给可见光摄像机。
可以对所述高清晰度可见光视频图像进行独立的高性能有损压缩。
作为优选，上述压缩可以采用H.264/5方式。
上述紫外成像***可以通过内部的SDIO串行总线扩展连接WIFI模块，以实现移动设备与紫外成像仪的增强智能分析及信息交互。
上述信息交互包括全景图像预览、视频文件回放、抓图、配置。
紫外成像***可以通过内部总线连接GPS、温湿度模块，实现自动获取地理位置信息和环境感知信息并存储记录，获取的信息可以叠加在视频或照片上以提高增强现实性。
上述实时扫描全景拼接是对扫描图像进行在线全景拼接，形成全景紫外与全景可见光，并进行全景融合，扩大仪器检测视野，增强直观可视化的故障定位能力。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
1，本发明实时对扫描图像进行全景拼接，形成全景紫外与全景可见光，并进行全景融合，扩大了仪器检测视野，增强了直观可视化的故障定位能力。
2，本发明中，紫外光视频、可见光视频和OSD文字信息、全景图像均采用基于时间戳的独立的通道，进行数据流采集、存储，显示阶段通过时间戳进行同步融合显示。在显示阶段融合独立的图像数据，这样有利于保证紫外图像和可见光图像的完整性，供事后追踪和大数据分析，在显示阶段叠加独立的OSD文字信息，可以选择是否叠加、部分叠加或叠加到图像的不同位置，避免大量文字信息叠加到图像中遮挡了太多画面，丢失关键图像细节信息。
3，将处理后的紫外图像传输到可见光摄像机进行全景拼接和信息融合，显示时紫外图像连同各种数据信息叠加到可见光图像上，可以实现增强现实放电检测。
4，通过内部SDIO串行总线扩展连接WIFI模块，可以实现手机与紫外成像仪信息交互，利用手机强大的数据处理能力、灵活开放的资源，在手机实现智能二次分析，同时，借助手机的3G/4G无线通道，与电力运维平台进行联动。
5，通过内部总线连接GPS模块实现自动获取地理位置信息并存储记录，获取的经纬度信息叠加在视频或照片，提高增强现实性。
6，与目前业界的紫外成像仪相比，本发明支持在线扫描录制的同时，实时对扫描图像拼接，形成全景紫外与全景可见光融合并叠加OSD文字信息的增强现实全景图像，从而提升成像仪的可用性，便于观测故障定位与故障分析。
7，本发明的处理单元采用低功耗的专用图像处理器，图像处理性能强、功耗低、待机时间长，开发出的紫外成像仪体积小，提升了便携性。
附图说明
图1为普通的紫外成像仪的模块图。
图2为紫外成像仪的***图。
图3为紫外数据处理的流程图。
图4为紫外成像仪的硬件组成示意图。
图5为紫外成像仪的外设图。
具体实施方式
现结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明提出一种便携式的增强现实紫外成像装置，首先将紫外图像通过形态学等数字信号处理去除离散噪声，汇聚紫外图像于集中放电区域，便于故障定位。由于紫外影像缺乏细节，普通标清CCD成像仍然无法观测远距离的设备接触点细节，我们采用宽动态、色彩纹理丰富的高清晰度可见光视频图像采集与紫外配合，有助于检测放电电晕的具***置和现场设备状况。为了解决紫外成像视野非常小、检测效率低的问题，成像仪在扫描录制的同时，实时对扫描的图像进行全景拼接，形成大视野全景图像。
现有的紫外成像仪都是将紫外图像与可见光图像融合后叠加了OSD文字信息，再进行压缩编码、图片抓取、回放显示，由于图像融合与OSD叠加会导致局部视频图像的遮挡与原始信息的丢失，为了保证紫外图像、可见光图像、OSD的完整性，我们把经过数字信号处理的全景紫外图像与全景可见光图像、OSD文字信息分别采用基于时间戳的独立通道，进行数据流采集、存储，在显示阶段通过时间戳进行同步融合显示全景图像，实现增强现实故障检测功能。
实时对扫描的图像全景拼接，提升成像仪的可用性，提高检测效率，便于观测故障位置细节；通过形态学处理的紫外图像，去除了离散噪声，汇聚紫外图像于集中放电区域，再与高清晰度可见光视频图像融合后，提高了放电电晕的位置和强度的检测精度；在显示阶段融合独立的图像数据，有利于保证紫外图像和可见光图像的完整性，便于事后追踪和大数据分析，在显示阶段叠加独立的OSD文字信息，可以选择是否叠加、部分叠加或叠加到图像的不同位置，不至于大量文字信息叠加到图像中遮挡了太多画面，丢失关键图像细节信息。
本发明的***图如图2所示，入射光线经过分光镜分为两路一路通过日盲紫外滤镜，进入紫外光成像通道，另一路进入可见光成像通道。紫外光通过倍增管投影到高清CCD/CMOS图像传感器，形成多比特图像。由于紫外成像是单个比特信息，通过紫外图像中黑白像素体现放电位置，通过白像素的分布密度体现放电的强度，所以需要将多比特图像进行二值化。为了减少噪声的干扰，再对紫外图像进行数字信号处理，将处理后的无压缩紫外图像通过高速串行总线发送给可见光摄像机，由可见光摄像机进行无损紫外图像压缩存储；另外一路可见光经过成像模块输出信息丰富的高清视频。最终在可见光摄像机中总共有三路独立的基于时间戳的数据，分别为紫外图像、可见光图像、OSD文字信息，其中紫外图像和可见光图像可以进行实时扫描全景拼接，在显示阶段将全景紫外图像、全景可见光图像和OSD文字信息通过时间戳同步融合显示。由于高清晰度可见光视频图像数据量巨大，因此对其采用独立的高性能有损压缩，如H.264/5压缩。
本发明的紫外图像数据处理流程流程如图3所示，经过紫外镜头和倍增管的光线，通过图像传感器输出紫外图像，经过自动曝光、自动增益控制、降噪模块实现成像预处理，然后对紫外图像二值化，再通过数字信号处理去除离散噪声，汇聚紫外图像于集中放电区域，将处理后的紫外图像传输到可见光摄像机进行全景拼接和信息融合，连同各种数据叠加到可见光图像上，实现增强现实放电检测。
本发明的硬件组成如图4所示，主要由分光镜、日盲紫外滤镜、紫外镜头、可见光镜头、可见光摄像机、紫外摄像机、LCD高清液晶屏、SD卡、锂电池组成。可见光摄像机、紫外摄像机的成像器件采用超低照度高清图像传感器，感光灵敏度高、成像细节丰富。摄像机处理单元采用专用图像处理器，工艺先进、封装体积小、功耗低、性能强，融合处理时间短。
本发明中的紫外摄像机负责紫外成像、二值化、数字信号处理、紫外图像数据发送。可见光摄像机负责全景拼接、融合处理、文字信息OSD、压缩、存储、人机交互处理。可见光摄像机可扩展的外设非常丰富，提供给用户多样的、可升级的功能。如图5所示，可见光摄像机通过串口总线连接SD卡实现可见光图像数据存储，也可以同时把无损的紫外图像数据、全景图像、融合图像进行存储。通过SDIO串行总线扩展连接WIFI模块，支持手机无线连接便携式的增强现实紫外成像仪。可见光摄像机通过USB总线扩展USB用户接口，支持外插U盘上传和下载数据、与上位机通信。通过UART连接GPS模块实现自动获取地理位置信息并存储记录；通过GPIO连接按键实现用户数据输入；通过I2C连接温湿度传感器实现对紫外成像仪的使用环境探测；通过GPIO连接激光指示灯实现检测定位；通过I2S连接音频实现现场声音的采集与录制；通过LCD接口连接LCD高清液晶屏实现融合的图像数据和设备状态信息的显示。
通过以上说明，可以看出本发明具有以下技术优势：
1.紫外成像仪的紫外成像视野非常小，比如(水平×垂直视野为6度×4.5度)应用于电力***检测效率低、不方便、可用性差，难以确定故障位置，特别是单个设备相似性非常高的变电站应用，难以定位，本发明实时对扫描图像进行全景拼接，形成全景紫外与全景可见光，并进行全景融合，扩大仪器检测视野，增强直观可视化的故障定位能力。
2.紫外光视频、可见光视频和OSD文字信息、全景图像均采用基于时间戳的独立的通道，进行数据流采集、存储，显示阶段通过时间戳进行同步融合显示。在显示阶段融合独立的图像数据，有利于保证紫外图像和可见光图像的完整性，供事后追踪和大数据分析，在显示阶段叠加独立的OSD文字信息，可以选择是否叠加、部分叠加或叠加到图像的不同位置，避免大量文字信息叠加到图像中遮挡了太多画面，丢失关键图像细节信息。
3.数据处理流程为，经过紫外线镜头的紫光通过图像传感器输出紫外图像，经过自动曝光、自动增益控制、降噪的图像预处理模块，然后对紫外图像二值化，再通过数字信号处理去除离散噪声，汇聚紫外图像于集中放电区域，将处理后的紫外图像传输到可见光摄像机进行全景拼接和信息融合，显示时紫外图像连同各种数据信息叠加到可见光图像上，实现增强现实放电检测。
4.紫外成像仪通过内部SDIO串行总线扩展连接WIFI模块，实现手机与紫外成像仪信息交互，交互包括全景图像预览、视频文件回放、抓图、配置等，利用手机强大的数据处理能力、灵活开放的资源，在手机实现智能二次分析，同时，借助手机的3G/4G无线通道，与电力运维平台进行联动。手机作为标准产品，具有易维护、易升级、易扩展的特点。
5.紫外成像仪通过内部总线连接GPS模块实现自动获取地理位置信息并存储记录，获取的经纬度信息叠加在视频或照片，提高增强现实性。
综上所述，与目前业界的紫外成像仪相比，本发明支持在线扫描录制的同时，实时对扫描图像拼接，形成全景紫外与全景可见光融合并叠加OSD文字信息的增强现实全景图像，从而提升成像仪的可用性，便于观测故障定位与故障分析。紫外图像通过数字信号处理去除离散噪声，汇聚紫外图像于集中放电区域，与可见光融合后，有助于提高放电电晕的位置和强度的检测精度。紫外光视频、可见光视频和OSD文字信息，拼接全景图像等均采用基于时间戳的独立的通道，进行数据流采集、存储，显示阶段通过时间戳进行同步融合显示，有利于保证紫外图像和可见光图像的完整性，供事后追踪和大数据分析，在显示阶段叠加独立的OSD文字信息，可以选择是否叠加、部分叠加或叠加到图像的不同位置，避免大量文字信息叠加到图像中遮挡了太多画面，丢失关键图像细节信息。另外，本发明中的摄像机处理单元采用专用图像处理器，工艺先进、封装体积小、功耗低、功能丰富、可扩展强、易升级，融合处理时间短，因此开发出的紫外成像仪体积小、功耗低、待机时间长，携带方便，适合户外长时间使用。
Claims (9)
1.一种便携式的增强现实紫外成像***，包括紫外光成像通道和可见光成像通道，入射光线经过分光镜分为两路，一路通过日盲紫外滤镜，进入紫外光成像通道，另一路进入可见光成像通道，其特征在于，紫外光通过倍增管投影到高清CCD/CMOS图像传感器形成多比特图像，将多比特图像进行二值化后再对紫外图像进行形态学数字信号处理并传输到可见光摄像机，由后者进行无损紫外图像压缩存储；另外一路可见光经过成像模块输出高清晰度可见光视频图像，在可见光摄像机中形成三路独立的基于时间戳的数据，分别为紫外图像、可见光视频图像、OSD文字信息，其中紫外图像和可见光视频图像可以进行实时扫描全景拼接，在显示阶段将全景紫外图像、全景可见光图像和OSD文字信息通过时间戳同步融合显示。
2.根据权利要求1所述的便携式的增强现实紫外成像***，其特征在于将多比特图像进行二值化处理前可以先经过自动曝光、自动增益控制、降噪的图像预处理。
3.根据权利要求1所述的便携式的增强现实紫外成像***，其特征在于所述形态学数字信号处理后的紫外图像信号是通过高速串行总线发送给可见光摄像机。
4.根据权利要求1所述的便携式的增强现实紫外成像***，其特征在于可以对所述高清晰度可见光视频图像进行独立的高性能有损压缩。
5.根据权利要求4所述的便携式的增强现实紫外成像***，其特征在于所述压缩可以采用H.264/5方式。
6.根据权利要求1所述的便携式的增强现实紫外成像***，其特征在于所述紫外成像***可以通过内部的SDIO串行总线扩展连接WIFI模块，以实现移动设备与紫外成像仪的增强智能分析及信息交互。
7.根据权利要求6所述的便携式的增强现实紫外成像***，其特征在于所述信息交互包括全景图像预览、视频文件回放、抓图、配置。
8.根据权利要求1所述的便携式的增强现实紫外成像***，其特征在于所述紫外成像***可以通过内部总线连接GPS、温湿度模块，实现自动获取地理位置信息和环境感知信息并存储记录，获取的信息可以叠加在视频或照片上以提高增强现实性。
9.根据权利要求1所述的便携式的增强现实紫外成像***，其特征在于所述实时扫描全景拼接是对扫描图像进行在线全景拼接，形成全景紫外与全景可见光，并进行全景融合，扩大仪器检测视野，增强直观可视化的故障定位能力。
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