馬慶龍 段軍鵬 余洪濤 熊超 楊家凱

【摘要】目前500KV及以下接地線自動裝拆常規(guī)的做法是借助機(jī)械升降機(jī)，將工作人員送上20米高空進(jìn)行操作，需多人配合、停電時間較長、電氣危險(xiǎn)性非常大。本文研究出一種可以無需要人工進(jìn)行高空操作，而是通過攝像頭高空拍攝，進(jìn)行雙目測距，然后三維重建，最后智能識別其裝拆的位置的算法。本文著重討論雙目測距以及標(biāo)定算法，此算法采用目前神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)標(biāo)定算法的結(jié)合，可精確得出攝像機(jī)各個參數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)證明此算法可移植在嵌入式平臺上，得到距離測量精度在0.005M以內(nèi)。

【關(guān)鍵詞】雙目測距;三維重建;圖像

1.引言

雙目測距方法是利用雙攝像頭拍攝同一場景的圖像，得到目標(biāo)圖像的位置差，根據(jù)焦距以及攝像頭標(biāo)定好的參數(shù)，通過三維幾何關(guān)系，計(jì)算出的一個實(shí)際的物理距離?，F(xiàn)階段此類算法主要難點(diǎn)在于攝像頭的標(biāo)定，即攝像頭本身固有的參數(shù)如何計(jì)算的問題上，本文結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，達(dá)到攝像頭參數(shù)的逼近效果，可以較好的解決這一問題。

這類測距方法因其實(shí)現(xiàn)簡單，抗干擾性強(qiáng)，已廣泛應(yīng)用于電腦游戲、軍事、工業(yè)控制等各個領(lǐng)域。

2.圖像形成過程

要解決攝像機(jī)三維重建問題，需要深入研究攝像機(jī)拍攝圖像時，此圖像的物理空間上的形成過程，大致可分為四個階段，如下圖所示：

場景中圖像經(jīng)過棱鏡聚焦，形成一個較小的物理圖像源，此圖像源理論上與實(shí)際場景圖像成一定比例關(guān)系，這一比例與鏡頭焦距以及場景目標(biāo)圖像距離與鏡頭距離相關(guān)，但實(shí)際上由于安裝工藝的不確定性，導(dǎo)致聚焦后的圖像源與實(shí)際物理圖像有一個旋轉(zhuǎn)關(guān)系和多種畸變關(guān)系，假設(shè)圖像源中目標(biāo)相對于世界坐標(biāo)系三維坐標(biāo)為：

現(xiàn)場實(shí)際圖像目標(biāo)坐標(biāo)為：

此坐標(biāo)所處的坐標(biāo)系稱之為世界坐標(biāo)系，攝像機(jī)本身坐標(biāo)稱之為攝像機(jī)坐標(biāo)系，即攝像機(jī)鏡頭光心為其坐標(biāo)遠(yuǎn)點(diǎn)，假設(shè)世界坐標(biāo)系中圖像目標(biāo)坐標(biāo)相對于攝像機(jī)坐標(biāo)系為：

而最終通過攝像頭采集的圖像即為實(shí)際采樣的圖像，為最終電子設(shè)備獲得的圖像，此坐標(biāo)系稱之為計(jì)算機(jī)圖像坐標(biāo)系，如下所示：

則上述坐標(biāo)系中坐標(biāo)相互關(guān)系如下式所示：

（1.1）

理想圖像坐標(biāo)系下計(jì)算公式為：

（1.2）

其中為攝像頭鏡片的焦距。

實(shí)際采樣的圖像坐標(biāo)系下，目標(biāo)的坐標(biāo)位置轉(zhuǎn)換為：

（1.3）

其中分別為像素與像素之間的橫物理距離和豎物理距離，分別為主心軸坐標(biāo)。

在雙目攝像頭環(huán)境下實(shí)際距離坐標(biāo)為：

（1.4）

其中a為兩個攝像頭棱鏡光心的距離。

3.攝像頭的標(biāo)定

由式1.2～1.4可得出：

（2.1）

由于選擇的為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定版，其為0，因此上式可改為：

（2.2）

整理可得：

（2.3）

上式可改寫為如下方程式：

其中：

根據(jù)標(biāo)定版實(shí)際測量，可測量8張不同的圖片，因?yàn)榭臻g坐標(biāo)已知，已知，得出如下方程：

這是一個超定方程組最優(yōu)解的問題，可采用奇異值分解法來解決。奇異值分解（SVD）通常用來解決最小平方誤差問題，其解為矩陣最小奇異值的右奇異向量，即最小特征值對應(yīng)的特征向量，詳細(xì)方法由于篇幅問題，這里不在闡述。

因此，由上述方法可計(jì)算出6個參數(shù)。

同時由于矩陣為正交矩陣，

有如下公式：

（2.4）

繼而求的。

同時又由于：

（2.5）

再結(jié)合1.1.可整理得：

（2.6）

同上整理可得到線性方程組，再次利用最小二乘法可計(jì)算出。至此攝像頭所有參數(shù)計(jì)算完成。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)為采用OMAPL138處理器作為核心處理版，CMOS采用美光MT9V011采集數(shù)字圖像，圖像速率為30幀/s，標(biāo)定時采集同一樣板不同的不同位置，根據(jù)模版匹配算法進(jìn)行特征點(diǎn)檢測，供利用98個標(biāo)定點(diǎn)來計(jì)算，計(jì)算完成后實(shí)施測距實(shí)驗(yàn)，得到如表1所示：

由以上測量可得出標(biāo)定結(jié)果，滿足視頻測距需求。

參考文獻(xiàn)

[1]朱玉艷.攝像機(jī)標(biāo)定方法研究[D].昆明理工大學(xué)，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，興軍亮等譯.計(jì)算機(jī)視覺-算法與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2012：127-189.

作者簡介：

馬應(yīng)龍（1979—），男，碩士，現(xiàn)供職于云南電網(wǎng)公司楚雄供電局，研究方向：電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。

段軍鵬，男，工程師，現(xiàn)供職于云南電網(wǎng)公司楚雄供電局，多年從事繼電保護(hù)工作。

余洪濤（1981—），男，碩士，現(xiàn)供職于深圳廣明科技有限公司，有多年電力測量產(chǎn)品項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。

熊超，男，工程師，現(xiàn)供職于云南電網(wǎng)公司楚雄供電局，多年從事高電壓技術(shù)研究。

楊家凱，男，高級技師，云南電網(wǎng)公司楚雄供電局500kV變電站站長，多年從事變電運(yùn)行工作。