铁塔单目立体视觉测量技术研究

冯砚厅

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

铁塔单目立体视觉测量技术研究

冯砚厅

(国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021)

介绍单目平面测量、单目立体视觉测量技术特点，分析单目立体视觉测量技术的原理、测量步骤及应用实例，说明应用效果，并提出单目立体视觉测量技术应用于铁塔测量时的注意事项。

铁塔；单目立体视觉测量技术；单目平面视觉测量技术

1 铁塔单目立体视觉测量技术的提出

铁塔在安装后和运行过程中，由于安装质量、运行中的地面不均匀沉降、螺栓松动等原因会发生偏斜、弯曲、扭曲等变形，当变形超过标准允许值时，需要对铁塔进行处理，否则有可能在恶劣天气等因素作用下发生倒塔事故。铁塔是否变形是铁塔监督的一个重要内容。目前，相关单位均采用全站仪、经纬仪、上塔吊线等对铁塔进行测量，但这些方法测量速度较慢，容易受到带电、天气等因素的影响而无法完成测量，而且测量得到的数据信息少，不能同时对所有的杆件进行测量[1]。

单目平面测量采用1台照相机对铁塔进行照相，通过1张照片可以完成平面测量工作，但由于单张照片对平面测量的远近距离不敏感，无法确定远近尺寸，因此也无法完成立体测量。铁塔单目立体视觉测量技术是采用1台照相机从铁塔的不同角度快速拍照完成铁塔的测量工作，只需对铁塔进行一次性拍照，然后在办公室内进行图像计算和处理，即可实现铁塔的测量目的，即通过利用计算机图像处理技术对不同角度的铁塔图像进行处理，完成铁塔的立体再现，从而实现立体测量的工作。单目平面测量减小了图像畸变中的视觉畸变，解决了大角度测量的问题，但对于深度不敏感，而铁塔单目立体视觉测量则可以在平面测量的基础上较好地实现铁塔的立体测量。

2 铁塔单目立体视觉测量技术原理分析

铁塔单目立体视觉测量技术是在单目平面测量技术的基础上发展起来的一种立体测量技术[2]。利用单目平面测量中得到的物像面作为空间虚拟投影面，单目测量中的物点为铁塔物点在空间虚拟投影面上的投影。在铁塔空间，通过两张照片利用单目视觉测量技术产生至少2个空间虚拟投影面，通过这些空间虚拟投影面确定铁塔物点空间坐标，从而完成铁塔空间测量工作。

2.1 单目平面测量技术原理

单目平面测量是不考虑景深的前提下，对图像进行二维测量，其测量步骤主要包括相机标定、图像校正、照相距离确定、图像训练、尺寸计算等。这些程序需要在计算机的辅助下完成[3]。

相机的标定和镜头的标定不同，主要是根据已知的照相距离求出与相机有关的常数k，见式(1)。

(1)

式中：k为常数；ΔX为物体在图像中所占有的像素尺寸；B为物体的实际宽度，mm；f为照相时相机的焦距，mm；L为照相位置与实物的距离，mm。

图像的校正是将由于照相角度不同引起的视觉畸变修正，如果要求精度更高则需要进一步进行镜头畸变修正。修正方法是将视觉畸变修正后的数值进行拟合，这样修正后的图像不会随仰角变化而发生变化，一次标定即可不限时间、不限场合使用。

照相距离的确定则是在已知常数k的条件下根据公式(1)求出照相距离L，利用公式(2)可以求出所求点距基准点的垂直距离HA。

(2)

图1 HA计算示意

2.2 单目立体视觉测量技术原理

铁塔单目立体视觉测量是在单目铁塔平面测量系统的基础上实现以中心桩为坐标原点，以4个脚桩轴对称的空间坐标的定位，从而实现空间尺寸的测量。如图2所示，自O点向铁塔RQ照相，存在空间虚拟投影面HA，铁塔RQ上存在一点W，W在HA上投影点M的实际高度为z1=MA。

图2 单目立体视觉测量中的空间虚拟投影面示意

从顶部向下观察，即铁塔在水平面的投影，见图3。4个塔脚呈方形，根开为l,照相位置O距离A脚的距离OA=L，虚拟的成像面过A点与OA垂直，则图中α与a,b的关系有：

(3)

图3 单目立体视觉测量坐标转换示意

令X=x0-x1，Y=y0-y1，Z=z0-z1， 则铁塔上物点W(xw，yw，zw)距(x0，y0，x0)和(x1，y1，x1)形成的直线距离为:

(4)

根据公式(4)可以得到同一空间点W与不同图像处理得到的直线的距离d1,d2,d3…………dn。

(5)

可求出空间点的坐标,即物点W的实际坐标(xw，yw，zw)。

3 铁塔单目视觉立体测量步骤

3.1 图像训练

当max(d1,d2,……dn)大于平均值的1.01倍时，需要对偏离平均值的直线对应的图像进行训练，训练方法是规划求解，通过调整的图像对应实际尺寸的比例关系，改变相机距铁塔的距离L，然后再对各像点进行重新计算，求出物点的计算坐标，令计算坐标与实际坐标相等，即可求解出图像对应的实际比例关系并固定下来，另外还需要检查图像的倾斜角度、平面角度等计算是否正确。

3.2 图像的倾斜校正

照相时图像有可能不完全竖直，铁塔与竖直方向的夹角定为倾斜角，记为β。铁塔的中心线特别是底部的中心线应当是竖直的，图像校正时，则以底部相邻两层的中点连线作为倾斜校正的依据。也可以利用照相时设置的铅直线来校正。

3.3 物点的计算

将各公式编入电算表，将所求点在图像中的像素坐标输入电算表中即可求出该点对应物点的空间实际坐标，这些坐标可以用于直接的测量计算，也可以作为CAD等软件的输入参数，从而形成立体的铁塔图形。图4为某塔发生弯曲后俯视铁塔时物点W的求解示意图，3幅图像通过各自照相机位置发出来的射线通过各自物像点交汇于物点。图4中，W为物点之一，M1为W在第1幅图像空间虚拟投影面上的投影，M2为W在第2幅图像空间虚拟投影面上的投影，M3为W在第3幅图像空间虚拟投影面上的投影。

4 铁塔单目视觉立体测量技术应用

4.1 应用实例

某线路N9塔发生弯曲，为了分析弯曲原因，需要对塔进行测量，由于线路带电，无法爬塔定位，采用全站仪和照相测量方法同时测量。取3幅图像，B腿顶在3幅图像中以B腿底为原点的坐标(像素)分别为(780.5，262.25)、(1 062.3，526.83)、(1 229，163.67)，通过计算实际B腿顶坐标(mm)为(-334，-394，23 649)，全站仪测量值换成坐标值为(-337，-400，未测)，图纸塔高为23 700 mm。每幅图像的尺寸偏差不超过1%。

图4 物点求解示意

4.2 应用效果

单点测量时，全站仪等可以直接现场计算出数据，照相法需要进行后续计算，但图像法可以同时测量海量的数据，而全站仪无法短时间内做到。本次应用中，图像法可以找出每个位置的变形量，快速找到铁塔的薄弱点，其它的方法无法短时间实现。快速多点同时测量在铁塔的稳定性分析中作用较大。

5 建议

a. 在实际应用时，如果未设置铅直线，又没有图像的倾斜校正参照时，可以参考最下面两层横杆的中心连线，因为最底部变形相对较小。

b. 如果没有对镜头畸变进行校正时，则照相时应将被测量物体置于图像中部，这样可以减小测量误差。采用长焦镜头会减小测量误差，最好选用长焦镜头并配三角架。高分辨率的相机可以提高像素识别精度，提高测量准确度。

c. 铁塔单目立体视觉测量，是在计算机辅助下的半自动计算，识别所求位置在各图像中的对应点需要手工完成，如果要实现铁塔的立体复形，需要计算机自动识别对应点，还有很多难题需要解决。

[1] 黄桂平，李广云，王保丰，等．单目视觉测量技术研究[J]．计量学报，2004，25(4)：314-317．

[2] 岳 亮，李自田,李长乐,等.空间目标的单目视觉测量技术研究[J].微计算机信息,2007,23(2)：273-275.

[3] 冯砚厅，申军辉，艾增栋，等.铁塔单目视觉测量技术研究[J].河北电力技术，2012, 31(6)：5-8.

本文责任编辑：杨秀敏

Research on Tower Measurement by Monocular Stereo Vision Measurement Technology

Definition and measurement principle of monocular plane and stereo vision is introduced in this paper,and the measuring steps and application examples of monocular stereo vision measurement technique is discussed.The application effect is shown well.The monocular stereo vision technology measurement points for attention are given as in tower actual measurement.

tower;monocular stereo vision measurement technology;monocular plane vision measurement technology

2013-04-03

冯砚厅(1965-)，男，高级工程师，主要从事焊接、锅检、失效分析研究工作。

TM753

B

1001-9898(2013)04-0001-03