基于单目立体测量技术的放电铜球间距校准方法

王春雷 ，严俊，黄正宇，陈天乐，段艳涛，杨波,3

（ 1.海军驻南京924厂军事代表室，南京211100；2.电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室，陆军工程大学，南京 210007;3.国防科技大学气象海洋学院，南京 211101）

引言

8/20兼容10/350冲击电流试验装置能够独立完成针对各种开关型、限压型或组合型SPD的雷电冲击残压试验、雷电流耐受试验和动作负载试验，是开展雷击损伤效应研究及雷击防护方法研究的重要实验装置。但实验装置长时间的连续高负荷工作，会导致放电铜球之间的间距与系统理论值发生偏差，造成冲击电流峰值不准确、提前放电等问题，严重影响系统整体的可靠性及实验的有效性。图1为冲击电流试验装置侧视示意图。

计算机视觉技术是一门新型的学科，其在检测领域的应用更是获得了越来也越多的关注[1]。基于计算机视觉技术的检测技术首先通过图像传感器获取数据，然后通过图像视觉检测算法计算检测空间物体三维坐标进而获取物体精确几何尺寸、运动状态等信息，具有非接触性、精度高、实时性强等优势和特点。近几十年，该技术在多样化测量方法、检测精度和模式应用的创新方面都取得了积极进展。逐步研发出了较多的视觉测量应用系统和设备，成为测量领域主流测量手段之一[2]。

单目立体视觉[3]作为视觉测量技术的一种基本形式，具有结构简单、成本较低、测量范围大等诸多优点，避免了双目视觉测量中图像点立体匹配困难的问题以及每次使用前对两套成像系统相对位姿的繁琐标定[4-6]，因此更适合于工业现场测量。

本文首次将单目视觉技术与铜球定位相结合，提出了一种新的雷电流试验装置铜球间距测量方法。该方法利用一台工业摄像机对待测铜球区域进行拍摄，对拍摄到的图像进行分析并提取铜球外边界，最后利用图像亚像素分割原理，精细分割出铜球的的上下边沿，计算出边沿之间的图像距离，最后通过标定数据进行三维坐标的转化，实现铜球间距的实时测量和最终试验装置的系统标定。该方法原理简单、直观，且定位精度高，能够很好地解决铜球间距高精度实时标定问题。可为下一步测试系统的自动化设计和建设提供基础。

1 基于单目立体视觉的雷电冲击电流试验装置铜球间距测量

1.1 系统组成及原理简介

利基于单目立体视觉测量技术，我们设计了基于雷电冲击电流试验装置铜球间距实时测量系统，以实现对试验装置的实时标定，搭建的测试系统如图2所示。

该测试系统包括一台焦距25 mm的大恒水星CCD高分辨率摄像机、支撑架、通信数据线及处理机。摄像机与铜球间隙大致具有相同水平高度，距离约3 m。在使用之前，需要对摄像机检测系统进行标定，计算摄像机的内外参数，方便后面的在线测量。单目摄像机标定是该测试系统使用过程中的重要步骤，对系统的整体测量精度有较大的影响。下面我们着重进行介绍。

1.2 基于HALCON的单目标定与测量

单目视觉测量是以小孔成像原理和透视投影原理等为理论基础,仅使用一台摄像机来完成对物体的几何尺寸、位置、姿态等进行测量的技术[3]。检测系统的硬件配置比较简单，一台摄像机，一个单通道图像采集卡和一台计算机。此外，标定过程也比较简单。程序搭建平台为机器视觉软件HALCON[7]，该软件平台具有较快的形状匹配速度，有较全面的算子工具集合，且标定手段比较简单。

图1 冲击电流试验装置侧视示意图

图2 基于单目的冲击电流试验装置标定系统

HALCON 是德国 MVTec Software GmbH 公司开发的一套完善的机器视觉算法包，内含众多的图像处理算子和交互式的开发工具。开发算子具有较单一的功能，从简单的读取图像到复杂的 Kalman 滤波等，但正是这些单一功能的算子，像一个一个积木一样，最终能堆积成功能强大的的应用设计。该软件提供的集成开发环境HDevelop 为编程者提供了一个可视化的图像界面，可以使用户在程序调试中，通过参数窗口监测到数据变量和图像变量的变化，进而高效的进行程序开发。

在单目视觉技术测量方面，HALCON提供了比较全面的标定助手工具和测试示例，可快速地进行在线视觉系统开发与集成。因此，本文选取它作为视觉测量系统开发的软件平台。

一般情来说，在进行立体视觉测量之前首先需要进行相机的标定[8-10]，得到摄像机的内参数（摄像机固有参数）和外参数（相对位姿），然后在运用相机的标定参数进行在线的测量。而后期的在线测量，实际是将测量所得的图像坐标系数据转化到实际三维空间数据的过程。而此时的相机的标定对最终的测试结果的精度的影响时十分关键的。

相机的标定可以借助标准标定物和标定算法来开发实现。本文采用标准的100 mm - 49 黑色圆点HALCON标定板，如图 4所示。首先，读取图像并对图像进行平滑，然后，利用阈值分割算法提取标定区域，再提取各圆形标记点的边缘，计算出各标记点的中心坐标，确定标定点与图像投影间的对应关系，最终得到相机的内外参数。

通过标定后的单目相机，相对位置不变的情况下，能实现标定板范围内的在线测量。由于本系统需要测量的铜球之间的间距范围不大，间距变化范围一般为0-50 mm，在图像视场范围内变化较小，因此，单目测量技术是能满足要求的，精度也是有保障的。最终，通过单目的测量，铜球间距能够实时地传输到处理机终端上，方便远距离在线标定与调试。

1.3 铜球间距测量与标定过程

下面介绍基于单目单目视觉的铜球距离整体测量流程。

首先，静态预先标定。将摄像机固定在距离铜球大约3 m的支撑架上，利用标定板进行像机标定，将标定板放置在铜球附近并微调不同姿态，同时对焦使得标定板图像最清晰，以提高边沿轮廓提取的精度。利用HALCON中的标定助手（如图5所示）先后采集共15张图片进行标定。

图3 HALCON开发界面

图4 基于HALCON的单目视觉标定板

其次，实时在线测量。在开展带负载实验过程中，对铜球间距进行在线测量与实时校正。本文选用CFRP的雷击致损实验进行在线测量。实验时，先对铜球区域进行连续拍摄，每拍摄一帧进行一次在线测量。最后，将测量结果实时传输到处理机进行显示，方便操作人员及时查看和校准。铜球测量的关键一步为如何准确提取上下铜球的边沿，即如图6所示的测量线的提取。由于测量过程中摄像机位置和铜球位置不发生明显的变化，因此，在测量时先要划定如图6所示的长条形的测量区域。然后在这个区域进行双线性插值，之后再计算出灰度值轮廓。再通过计算灰度值轮廓一阶导数的局部极值得到一维边界，然后对边缘进行自动配对。最后将配对的两点的距离进行基于标定参数的实际三维空间坐标的变换，得到真实的测量距离。

图5 HALCON标定助手界面

图6 铜球间距测量示意图

图7为某一次测量结果。可以发现，测量界面同时给出了两根绿色的短线，这各自代表了铜球的两个边沿，并且测量数据也在短线旁边实时显示。

最后，结果显示和误差分析。为了验证本文基于单目视觉的冲击电流装置标定系统的精度及有效性，我们在铜球之间放置了20 mm的标准物件，然后控制好铜球间距，将多次测量结果与之对比。测量结果如表1所示。

通过5次的测量和对比发现，每次测量的结果和标准值之间的误差均控制在1 mm内，最终的平均误差仅为-0.033。这一精度满足测试系统的整体测试要求。

图7 测量界面和结果（37.341 mm）

表1 测量误差分析 单位：mm

2 结论

本文研究了一种基于单目视觉技术的雷电冲击电流放电装置铜球间距测试方法，并搭建了整个测试系统。通过将基于HALCON的单目视觉测量技术与冲击电流放电装置间距标定需求相结合，开发并实现了快速、准确地间距在线测量和传输。此外，整个测试系统搭建简单、操作简易，非常适合于下一步的试验装置系统的自动化集成。这也为电磁兼容领域实现测试自动化提供了新的借鉴和参考。

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