一种用于电力挂接线的双目视觉三维重建的算法
2014-04-29马庆龙段军鹏余洪涛熊超杨家凯
马庆龙 段军鹏 余洪涛 熊超 杨家凯
【摘要】目前500KV及以下接地线自动装拆常规的做法是借助机械升降机,将工作人员送上20米高空进行操作,需多人配合、停电时间较长、电气危险性非常大。本文研究出一种可以无需要人工进行高空操作,而是通过摄像头高空拍摄,进行双目测距,然后三维重建,最后智能识别其装拆的位置的算法。本文着重讨论双目测距以及标定算法,此算法采用目前神经网络与传统标定算法的结合,可精确得出摄像机各个参数,通过实验证明此算法可移植在嵌入式平台上,得到距离测量精度在0.005M以内。
【关键词】双目测距;三维重建;图像
1.引言
双目测距方法是利用双摄像头拍摄同一场景的图像,得到目标图像的位置差,根据焦距以及摄像头标定好的参数,通过三维几何关系,计算出的一个实际的物理距离。现阶段此类算法主要难点在于摄像头的标定,即摄像头本身固有的参数如何计算的问题上,本文结合BP神经网络算法,达到摄像头参数的逼近效果,可以较好的解决这一问题。
这类测距方法因其实现简单,抗干扰性强,已广泛应用于电脑游戏、军事、工业控制等各个领域。
2.图像形成过程
要解决摄像机三维重建问题,需要深入研究摄像机拍摄图像时,此图像的物理空间上的形成过程,大致可分为四个阶段,如下图所示:
场景中图像经过棱镜聚焦,形成一个较小的物理图像源,此图像源理论上与实际场景图像成一定比例关系,这一比例与镜头焦距以及场景目标图像距离与镜头距离相关,但实际上由于安装工艺的不确定性,导致聚焦后的图像源与实际物理图像有一个旋转关系和多种畸变关系,假设图像源中目标相对于世界坐标系三维坐标为:
现场实际图像目标坐标为:
此坐标所处的坐标系称之为世界坐标系,摄像机本身坐标称之为摄像机坐标系,即摄像机镜头光心为其坐标远点,假设世界坐标系中图像目标坐标相对于摄像机坐标系为:
而最终通过摄像头采集的图像即为实际采样的图像,为最终电子设备获得的图像,此坐标系称之为计算机图像坐标系,如下所示:
则上述坐标系中坐标相互关系如下式所示:
(1.1)
理想图像坐标系下计算公式为:
(1.2)
其中为摄像头镜片的焦距。
实际采样的图像坐标系下,目标的坐标位置转换为:
(1.3)
其中分别为像素与像素之间的横物理距离和竖物理距离,分别为主心轴坐标。
在双目摄像头环境下实际距离坐标为:
(1.4)
其中a为两个摄像头棱镜光心的距离。
3.摄像头的标定
由式1.2~1.4可得出:
(2.1)
由于选择的为标准标定版,其为0,因此上式可改为:
(2.2)
整理可得:
(2.3)
上式可改写为如下方程式:
其中:
根据标定版实际测量,可测量8张不同的图片,因为空间坐标已知,已知,得出如下方程:
这是一个超定方程组最优解的问题,可采用奇异值分解法来解决。奇异值分解(SVD)通常用来解决最小平方误差问题,其解为矩阵最小奇异值的右奇异向量,即最小特征值对应的特征向量,详细方法由于篇幅问题,这里不在阐述。
因此,由上述方法可计算出6个参数。
同时由于矩阵为正交矩阵,
有如下公式:
(2.4)
继而求的。
同时又由于:
(2.5)
再結合1.1.可整理得:
(2.6)
同上整理可得到线性方程组,再次利用最小二乘法可计算出。至此摄像头所有参数计算完成。
4.实验结论
本次实验为采用OMAPL138处理器作为核心处理版,CMOS采用美光MT9V011采集数字图像,图像速率为30帧/s,标定时采集同一样板不同的不同位置,根据模版匹配算法进行特征点检测,供利用98个标定点来计算,计算完成后实施测距实验,得到如表1所示:
由以上测量可得出标定结果,满足视频测距需求。
参考文献
[1]朱玉艳.摄像机标定方法研究[D].昆明理工大学,2008.
[2]Birchfield,S.and Tomasi,C.(1999).Depth discontinuities by pixel-to-pixel stereo.Internationaal Jouranal of Computer Vision,269-290.
[3]Richard Szelisko.艾海舟,兴军亮等译.计算机视觉-算法与应用[M].清华大学出版社,2012:127-189.
作者简介:
马应龙(1979—),男,硕士,现供职于云南电网公司楚雄供电局,研究方向:电力系统继电保护。
段军鹏,男,工程师,现供职于云南电网公司楚雄供电局,多年从事继电保护工作。
余洪涛(1981—),男,硕士,现供职于深圳广明科技有限公司,有多年电力测量产品项目经验。
熊超,男,工程师,现供职于云南电网公司楚雄供电局,多年从事高电压技术研究。
杨家凯,男,高级技师,云南电网公司楚雄供电局500kV变电站站长,多年从事变电运行工作。