一種雙目視覺輸電線路覆冰厚度測量方法

燕正亮 張潔 王平

摘 ?要： 本文提出一種基于雙目視覺原理的輸電線路覆冰監測方法。研發以雙目相機為主的無人機覆冰監測載荷，對雙目相機進行標定，獲取內外檢校參數，通過圖像校正構建平行雙目立體量測模型;在紅外圖像輔助下，立體量測獲取特定同名點的空間位置，通過導線覆冰厚度計算和校正方法獲取輸電導線的覆冰厚度。大量試驗表明，該方法在輸電線路覆冰應急監測中具有較高的測量精度。

關鍵詞： 雙目視覺;輸電導線覆冰;相機標定;覆冰厚度

中圖分類號： TP79 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.01.029

本文著錄格式：燕正亮，張潔，王平. 一種雙目視覺輸電線路覆冰厚度測量方法[J]. 軟件，2020，41（01）：133137

【Abstract】： The paper proposes a transmission line ice monitoring method based on binocular vision principle. It develops a UAV ice monitoring load using a binocular camera and obtains internal and external calibration parameters by binocular camera calibration to construct the parallel binocular stereo measurement model by image correction. Then stereo measurement acquires the spatial position of a specific point with the aid of infrared image to get ice thickness of transmission wires by thickness calculation and correction method. Lots of tests show that the method has high measurement accuracy in the emergency monitoring of transmission line icing.

【Key words】： Binocular vision; Transmission wire icing; Camera calibration; Ice thickness

0 ?引言

我國輸電線路里程長，跨越區域復雜，有很多都是位于高原高寒和高山地區，因此我國成為世界上輸電線路覆冰災害最嚴重的的國家之一，輸電線路冰災事故頻繁發生。輸電線路覆冰會引起導線舞動、桿塔傾斜和倒塌、導線斷線及絕緣子閃絡等問題，引發線路斷電，給生產和生活帶來極大的不便，引起巨大的經濟損失[1-4]。現有在線監測手段，多通過力學分析求解覆冰厚度，但由于影響因素較多，關系模型未能精確確定[1-2]。

近些年來隨著圖像處理技術的快速發展，基于圖像的目標檢測技術日趨成熟，尤其是計算機立體視覺等的日益成熟為高精度的空間量測分析奠定了基礎，基于圖像的覆冰檢測技術得到了越來越多的實際應用，輸電線路覆冰厚度監測的可靠性得到了提高。但現有方法大多依賴桿塔安裝的固定監測設備，監測范圍和監測角度較為局限。而無人機技術的發展為架空電力線路覆冰勘測提供了新的平臺，利用無人機搭載監測設備進行覆冰災情巡檢，能擴展監測范圍，降低建設成本。

本文采用無人機搭載包含雙目視覺相機和紅外傳感器的覆冰監測載荷對覆冰導線進行監測拍照，通過紅外傳感器識別覆冰，雙目視覺相機進行覆冰厚度測量的方法，快速、有效監測輸電線路覆冰災情。

1 ?無人機載覆冰監測載荷及計算模型

1.1 ?覆冰監測載荷

覆冰監測載荷裝置主要由平臺系統、機載傳感器系統、配套系統組成，平臺系統包括二維掃描機構、隔震穩定平臺和POS系統，實現光學載荷的旋轉和停留控制、姿態穩定以及獲取平臺的速度和姿態信息的功能;機載傳感器系統包括雙目立體視覺相機、紅外傳感器、伺服監控單元，實現輸電線路覆冰災情數據的采集;配套系統檢測覆冰導線，計算覆冰厚度。

1.2 ?雙目視覺基本原理

雙目立體視覺[3]是最基本的一種立體成像模式，利用兩個攝像機拍攝同一場景，利用左右圖像視差，根據三角測量原理恢復三維信息，結合關系如下圖所示。

1.3 ?覆冰厚度測量技術路線

輸電線路覆冰情況下，無人機從上空拍攝到的導線覆冰圖像環境復雜，對圖像識別導線覆冰算法要求較高，所以，利用長波紅外的測溫功能實現對導線的識別檢測，再利用時間同步性方法檢索導線覆冰的雙目視覺圖像數據，利用雙目視覺的方法計算出導線的覆冰厚度。

技術路線如上圖，首先提取圖像中的導線，依據雙目相機系統的內外參數計算圖像覆冰點的空間位置，通過空間坐標計算覆冰厚度，然后再對覆冰厚度計算結果進行校正。其中，覆冰導線檢測主要依賴紅外圖像處理;圖像分辨率的計算主要依賴雙目視覺系統[4]。

1.4 ?雙目相機標定

相機標定是進行輸電線路覆冰厚度測量的必要過程，標定得到的內參數、外參數和畸變系數是雙目視覺進行圖像校正和3D恢復的基礎。本文雙目相機標定采用張正友標定法，該方法要求相機在不同的方位拍攝一個平面靶標，相機和2D平面靶標都可以移動，該方法具有簡單靈活，魯棒性強，實用性強等特點。采用如下圖所示的黑白棋格標定板進行相機標定。

1.4.1 ?相機標定基本原理

攝像機標定[5]是借助已知點獲取攝像機內部和外部參數的過程，張正友標定法是一種平面模板法。該方法的主要思想是：標定時，設內部參數為定值，保持不變，那么從任何方向或角度去拍攝標定模板，只有外部參數時刻變化。該方法運用特征點之間的相互對應關系，通過圖像數據歸一化求解模板與圖像之間的單應矩陣。假設平面模板上角點 的坐標 ，其在平面圖像上投影點 坐標為（u， v）。都用齊次坐標表示，則世界坐標到圖像坐標存在線性變換關系。

由上表分析可知，由于覆冰導線位置不同覆冰厚度不同，分別對兩桿塔中間部分導線和靠近桿塔部分導線圖像進行了測量，桿塔中間部分導線由于無人機機翼旋轉造成部分覆雪掉落，厚度值略小，覆冰厚度不同不影響測量結果的精度;隨著測量目標距離相機越來越遠，測量結果的精度下降，測量距離在40米以內時，測量誤差基本保持在10%以內，當距離達到60米時，測量誤差增大到20%的。

3 ?結論

主要研究了基于無人機載雙目視覺進行導線覆冰厚度測量的方法，為了實現測距，研究了雙目測距的原理、相機的標定、立體校正、立體匹配等關鍵技術[8-10]。利用兩個相機的不同視角和結構關系將拍攝到的圖像進行由圖像坐標到世界坐標的轉換，實現目標實際尺寸的測量，利用導線覆冰邊緣與深度圖疊加，有效、快速的定位了特征并不明顯的導線覆冰邊緣上的兩點，實現厚度測量，該方法原理簡單、操作靈活。由實驗分析可知，雙目視覺相機測量精度受拍攝距離影響，隨拍攝距離增大，精度降低，所以在應用雙目視覺相機時需要盡量減小測量距離。

參考文獻

[1] 邵瑰瑋， 胡毅， 王力農， 等. 輸電線路覆冰監測系統應用現狀及效果[J]. 電力設備， 2008， 9（6）： 13-15.

[2] 黃新波， 程榮貴， 王孝敬， 等. 輸電線路在線監測與故障診斷[M]. 北京： 中國電力出版社， 2008.

[3] 王珂瑋. 基于雙目立體的目標測量[D]. 吉林大學.

[4] 馬頌德， 張正友. 計算理論與算法基礎[M]. 北京： 科學出版社， 2003.

[5] ZHANG Zhengyou. A flexible new technique for camera calibration[J]. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence， 2000， 22（11）： 1330-1334.

[6] 張鑫， 習俊通， ZhangXin， 等. 雙目立體測量系統標定及精度評價[J]. 計算機應用與軟件， 2014， 31（7）： 160-163.

[7] 張靜， 李強， 楊馥霖. 雙目立體視覺測量的實現和結構參數選擇[J]. 機械設計與制造工程， 2018， v.47; No.416（7）： 5-9.

[8] 張數， 楊德宏. 數字近景攝影測量的二維影像三維建模的關鍵技術應用[J]. 軟件， 2018， 39（2）： 133-138.

[9] 李威， 李國柱. 基于傾斜攝影測量技術測繪地籍圖的可行性研究[J]. 軟件， 2018， 39（12）： 181-186.

[10] 艾嘉豪， 朱大明. 無人機傾斜攝影測量在三維建模中的應用[J]. 軟件， 2018， 39（6）： 192-195.