CN108613628B - 一种基于双目视觉的架空输电线路弧垂测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于双目视觉的架空输电线路弧垂测量方法，包括通(1)搭建双目视觉***，建立三维空间坐标系；(2)对双目视觉***进行标定，得到双目视觉***内外参数；(3)现场输电线路图像采集与修正；(4)导线选择与中心线提取；(5)左右视图导线特征点匹配；(6)导线特征点在弧垂测量平面投影；(7)弧垂计算。该方法仅需在现场双目视觉***的两个摄像头各拍摄一张照片，即可快速得到弧垂值，现场工作量小，对拍摄地点无要求，适用性强。

Description

一种基于双目视觉的架空输电线路弧垂测量方法
技术领域
本发明涉及输电线路测量技术领域，具体是一种通过双目视觉***快速获取输电线路弧垂大小的方法。
背景技术
输电线路弧垂是线路设计和运行维护的重要指标，弧垂大小是否控制在规定的设计容限内直接影响到线路的安全稳定运行。设计部门、施工单位和运行维护单位，都应从经济性和安全性角度出发，保证架空电力线弧垂控制在合理的范围之内。线路运行负荷和周围环境的变化都会造成线路弧垂的变化，如在高温大负荷、输电线路覆冰等工况下，弧垂会增大，造成弧垂超限交叉跨越安全距离不足的隐患。因此，对重要输电线路弧垂测量是十分必要的。传统的弧垂测量方法主要有档侧角度法、档端角度法和驰度板观测法等，这些方法需要观测的物理量多、计算过程繁琐。
随着制造可靠的大面积电子感光器件的成本越来越低，使得图像成为了一种成本低廉，信息量丰富，可靠性高的数据源。但传统基于图像的弧垂测量方法，因缺乏深度信息和拍摄角度造成输电线路图像畸变，测量误差较大，适用场合有限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于双目视觉的架空输电线路弧垂测量方法，其基于双目视觉***进行输电线路图像采集，通过三维重建得到输电线路空间点的坐标信息，然后投影到弧垂计算平面，计算出输电线路弧垂值，本方法具有现场测量速度快、效率高，结果准确的优点。
为了达到上述目的，本发明包括下列步骤：
(1)搭建双目视觉***，建立三维空间坐标系；
(2)对双目视觉***进行标定，得到双目视觉***内外参数；
(3)现场输电线路图像采集与修正；
(4)导线选择与中心线提取；
(5)左右视图导线特征点匹配；
(6)导线特征点在弧垂测量平面投影；
(7)弧垂计算。
进一步的，所述步骤(1)搭建双目视觉***，建立三维空间坐标系步骤为：将双摄像终端固定在水平基线座上，保持两个摄像终端相对位置不变，旋转角度不变，均有一定向上仰角，便于拍摄架空输电线路，以左侧摄像终端为原点建立空间三维坐标系。
进一步的，所述步骤(2)双目视觉***标定步骤为：利用张氏法对双目视觉***的内参数α、β、γ、μ、υ进行标定，其中α为x轴上的比例因子，β为y轴上的比例因子，γ为图像坐标与光轴坐标的斜交因子，μ为光轴光心在图像坐标x轴上的位置，υ为光轴光心在图像坐标y轴上的位置；利用自标定法对双目视觉***的外参数R、t进行标定，其中R为旋转因子，t为平移因子。
进一步的，所述步骤(3)中图像采集与修正具体步骤为：首先确保左右摄像终端能够同时采集到一档输电线路全长的一半以上图像，并包含最低点；其次同时各拍摄一张输电线路图像；然后利用标定参数对图像进行畸变校正与极线修正，使两张图像的匹配点处于同一水平面。
进一步的，所述步骤(4)中导线选择与中心线提取具体步骤为：首先利用Sobel算子对左右视图进行边缘检测；其次进行二值化与滤波处理；然后通过选取兴趣区域过滤复杂的路面背景；再经过细化、去毛刺处理得到导线中心线，若图中存在多根中心线，选择需要测量弧垂的导线。
进一步的，所述步骤(5)中左右视图导线特征点匹配具体为：对左右视图中导线以一定步长按垂直方向扫描，确定对应的特征点，根据这些特征点在不同视图上的坐标值，结合标定参数，计算全部特征点的三维坐标值。
进一步的，所述步骤(6)中导线特征点在弧垂测量平面投影具体步骤为：根据特征点三维坐标值，确定旋转因子，将特征点旋转到弧垂测量平面。
进一步的，所述步骤(7)中导线弧垂计算具体步骤为：在新坐标系下用悬链线方程
Figure BDA0001662169880000031
带入不同特征点坐标，拟合得到方程中参数a、b、c的值，其中a、b、c为拟合系数，结合导线档距和高差值，计算出该档导线起点和终点坐标，即可计算出弧垂值。
本发明的优点在于：
1、通过张氏标定法和自标定法相结合的方式，对双目视觉***内参数与外参数进行事先标定，解决了架设后利用传统标定方法不便、精度不高和现场标定困难的问题。
2、通过获取导线特征点空间位置信息，确定弧垂计算投影面，将导线投影到二维平面上，实现在二维平面中进行弧垂计算。目前常用的角度法需要测量驰度角、挂点角、现场温度，还要获取导线比载等信息方能计算弧垂值，本方法通过计算机软件分析双目图像信息即可得到准确的弧垂数据，提高了现场测量速度，增加了实时性。
附图说明
图1为本发明中双目测量***的结构示意图；
图2为本发明中弧垂计算投影面的示意图；
图3为本发明基于双目视觉的架空输电线路弧垂测量方法的流程示意图。
图中：1—左拍摄终端，2—右拍摄终端，3—水平基线座，4—支架。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图3所示，一种基于双目视觉的架空输电线路弧垂测量方法，包括如下步骤：
步骤P101：搭建双目视觉***，建立三维空间坐标系。具体的，如图1所示，将双摄像终端(左拍摄终端1、左拍摄终端1)固定在水平基线座3上，水平基线座3固定于支架4，保持两个摄像终端相对位置不变，旋转角度不变，均有一定向上仰角，便于拍摄架空输电线路。以左侧摄像终端为原点建立空间三维坐标系。
步骤P102：对双目视觉***进行标定，得到双目视觉***内外参数。具体的，利用张氏法对双目视觉***的内参数α、β、γ、μ、υ进行标定，其中α为x轴上的比例因子，β为y轴上的比例因子，γ为图像坐标与光轴坐标的斜交因子，μ为光轴光心在图像坐标x轴上的位置，υ为光轴光心在图像坐标y轴上的位置；利用自标定法对双目视觉***的外参数R、t进行标定，其中R为旋转因子，t为平移因子。标定完成后，如双摄像终端相对位置、旋转角度变化，必须固定后再重新标定。
步骤P103：现场输电线路图像采集与修正。具体的，现场架设双目视觉***，调整水平。确保左右摄像终端能够同时采集到一档输电线路全长的一半以上图像，并包含最低点；然后同时各拍摄一张输电线路图像；利用标定参数对图像进行畸变校正与极线修正，使两张图像的匹配点处于同一水平面。
步骤P104：导线选择与中心线提取。具体的，对左右视图，均采用以下方式处理：(1)利用Sobel算子进行边缘检测；(2)进行二值化与滤波处理；(3)通过选取兴趣区域过滤复杂的路面等背景；(4)为避免同一导线由于远近不同导致在照片上粗细不一致，采用细化、去毛刺处理后，得到导线中心线。
若图中存在多根导线，在左右视图图片中选择需要测量弧垂的导线(以中心线表示)，进行匹配。
步骤P105：左右视图导线特征点匹配。通过步骤P103和步骤P104，左右视图中待测量弧垂导线的垂直方向上坐标是一致的，即在左右视图中的匹配点具有相同的y坐标值。左右视图导线特征点匹配具体步骤为：对左右视图中导线以一定步长按垂直方向扫描，确定对应的特征点。根据这些特征点在不同视图上的坐标值，结合标定参数，即可计算出全部特征点的三维坐标值。
步骤P106：导线特征点在弧垂测量平面投影。具体的，根据步骤P105的特征点三维坐标值，确定旋转因子，将特征点旋转到弧垂测量平面，如图2所示。建立新坐标系，将全部特征点坐标转换成新坐标系下的二维坐标。
步骤P107：弧垂计算。具体的，在步骤P106确定的坐标系下，根据悬链线方程
Figure BDA0001662169880000051
带入不同特征点坐标，拟合得到方程中参数a、b、c的值，其中a、b、c为拟合系数。
步骤P108：根据步骤P107确定的悬链线方程，以及导线档距和高差值(查找线路设计运维资料得到档距和高差值)，再查找线路设计运维资料得到档距和高差值，即可计算出弧垂值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于双目视觉的架空输电线路弧垂测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)搭建双目视觉***，建立三维空间坐标系；
(2)对双目视觉***进行标定，得到双目视觉***内外参数；
(3)现场输电线路图像采集与修正；
(4)导线选择与中心线提取；
(5)左右视图导线特征点匹配；
(6)导线特征点在弧垂测量平面投影；
(7)弧垂计算；
所述步骤(1)搭建双目视觉***，建立三维空间坐标系步骤为：
将双摄像终端固定在水平基线座上，保持两个摄像终端相对位置不变，旋转角度不变，均有一定向上仰角，便于拍摄架空输电线路，以左侧摄像终端为原点建立空间三维坐标系；
所述步骤(2)双目视觉***标定步骤为：利用张氏法对双目视觉***的内参数α、β、γ、μ、υ进行标定，其中α为x轴上的比例因子，β为y轴上的比例因子，γ为图像坐标与光轴坐标的斜交因子，μ为光轴光心在图像坐标x轴上的位置，υ为光轴光心在图像坐标y轴上的位置；利用自标定法对双目视觉***的外参数R、t进行标定，其中R为旋转因子，t为平移因子；
所述步骤(3)中图像采集与修正具体步骤为：首先确保左右摄像终端能够同时采集到一档输电线路全长的一半以上图像，并包含最低点；其次同时各拍摄一张输电线路图像；然后利用标定参数对图像进行畸变校正与极线修正，使两张图像的匹配点处于同一水平面；
所述步骤(4)中导线选择与中心线提取具体步骤为：首先利用Sobel算子对左右视图进行边缘检测；其次进行二值化与滤波处理；然后通过选取兴趣区域过滤复杂的路面背景；再经过细化、
去毛刺处理得到导线中心线，若图中存在多根中心线，选择需要测量弧垂的导线；
所述步骤(5)中左右视图导线特征点匹配具体为：对左右视图中导线以一定步长按垂直方向扫描，确定对应的特征点，根据这些特征点在不同视图上的坐标值，结合标定参数，计算全部特征点的三维坐标值；
所述步骤(6)中导线特征点在弧垂测量平面投影具体步骤为：
根据特征点三维坐标值，确定旋转因子，将特征点旋转到弧垂测量平面。
2.如权利要求1所述的基于双目视觉的架空输电线路弧垂测量方法，其特征在于：所述步骤(7)中导线弧垂计算具体步骤为：在新坐标系下用悬链线方程
Figure FDA0002373122310000021
带入不同特征点坐标，拟合得到方程中参数a、b、c的值，其中a、b、c为拟合系数，结合导线档距和高差值，计算出该档导线起点和终点坐标，即可计算出弧垂值。
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