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        變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)中廣角鏡頭成像畸變校正裝置研究

        2015-04-01 08:16:12林逢春朱永生錢二剛毛亞勝
        吉林電力 2015年4期
        關(guān)鍵詞:廣角鏡頭畸變攝像機(jī)

        林逢春,朱永生,錢二剛,谷 慧,毛亞勝

        (1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司,長春 130021;2.國網(wǎng)延邊供電公司,吉林 延吉 133000;3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院,長春 130021;4.上海申瑞電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司,上海 201615)

        隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)深化和對電網(wǎng)安全要求的進(jìn)一步提高,為變電站配置作業(yè)安全管控系統(tǒng)已經(jīng)成為提高電網(wǎng)安全性的有效技術(shù)措施之一。定位技術(shù)可以提高變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)的技術(shù)性能和實用化程度,可以提升變電站作業(yè)安全管理的自動化水平[1]。目前建設(shè)的基于計算機(jī)視覺定位技術(shù)的變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng),需要連續(xù)采集變電站現(xiàn)場的圖像以確定動態(tài)目標(biāo)的物理位置和活動趨勢,以此評估其對人身安全、設(shè)備安全、運行安全的影響。由于變電站(特別是高壓變電站)占地面積大,利用廣角鏡頭進(jìn)行拍攝,可以減少布設(shè)攝像機(jī)的數(shù)量,降低對攝像機(jī)架設(shè)高度和位置的要求,但由于廣角鏡頭固有的特性,圖像存在著一定程度的非線性畸變失真,若直接使用畸變圖像進(jìn)行空間映射變換,無法保證定位精度,因此,如何校正畸變圖像,使其能夠控制在一定精度范圍內(nèi),保證作業(yè)管控系統(tǒng)對動態(tài)目標(biāo)的快速物理定位并保持較高精度,是變電站作業(yè)管控系統(tǒng)實用化需要解決的重要問題。

        1 廣角鏡頭成像畸變的常見類型

        人們熟知的常用攝像機(jī)鏡頭一般有普通光學(xué)鏡頭和廣角光學(xué)鏡頭。普通光學(xué)鏡頭其成像角度大約為90度,所以其拍攝范圍小,而廣角鏡頭成像角度則可達(dá)130度,其拍攝范圍比普通鏡頭大幅增加,但同時也帶來了圖形在成像時會發(fā)生嚴(yán)重的畸變效果。畸變是由于光線的傾斜度大引起的,與球差和像散不同,畸變不破壞光束的同心性,從而不影響成像的清晰度?;儽憩F(xiàn)在像平面內(nèi)圖形的各部分與原物不成比例?;兊那闆r與光闌的位置有關(guān)[2]。

        根據(jù)鏡頭的物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性,其常見的畸變主要有以下幾種:枕形畸變,又稱枕形失真,它是由鏡頭引起的畫面向中間“收縮”的現(xiàn)象。我們在使用長焦鏡頭或使用變焦鏡頭的長焦端時,容易察覺枕形失真現(xiàn)象。桶形畸變,又稱桶形失真,是由鏡頭中透鏡物理性能以及鏡片組結(jié)構(gòu)引起的成像畫面呈桶形膨脹狀的失真現(xiàn)象,在使用廣角鏡頭或使用變焦鏡頭的廣角端時,容易察覺桶形失真現(xiàn)象。線性畸變,又叫線性失真,當(dāng)試圖近距離拍攝高大的直線結(jié)構(gòu),比如建筑物或樹木的時候,假設(shè)使用的是廣角鏡頭,并認(rèn)為只把照相機(jī)稍微向上瞄準(zhǔn)一點,即使離得很近也能把整個結(jié)構(gòu)拍攝下來,但是實際上平行的線條顯得并不平行了,結(jié)果是建筑物或樹木好像要傾倒下來似的,這種失真現(xiàn)象被稱為線性畸變。幾種常見的畸變類型見圖1。

        圖1 常見的畸變類型

        2 廣角鏡頭成像畸變校正裝置的硬件結(jié)構(gòu)與軟件算法

        針對廣角攝像鏡頭所存在的畸變問題,通過研制一種用于變電站視頻廣角鏡頭成像畸變校正的裝置,嵌以畸變校正軟件,可以實現(xiàn)對變電站環(huán)境快速、大范圍的拍攝并減少失真,從而為視覺定位提供良好的基礎(chǔ)條件。

        2.1 成像畸變校正裝置的硬件結(jié)構(gòu)

        用于變電站視頻廣角鏡頭成像畸變的校正裝置,采用標(biāo)準(zhǔn)化的6U 高度、19寸型機(jī)械結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)箱,裝置內(nèi)配置視頻輸入單元、視頻信號放大器、視頻解碼器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、圖像數(shù)字處理器、高速以太網(wǎng)、指示信號燈、開關(guān)電源模塊等工作單元。其中,視頻輸入單元的輸入與安裝有廣角鏡頭的攝像機(jī)相接,該單元的輸出端連接至視頻信號放大器的輸入端,視頻信號放大器的輸出端連接至視頻解碼器的輸入端,視頻解碼器的輸出端連接至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端,模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端連接至圖像數(shù)字處理器輸入端,圖像數(shù)字處理器的輸出端連接至高速以太網(wǎng)和指示信號燈。開關(guān)電源模塊則通過EMC模塊連接至視頻信號放大器、視頻解碼器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、圖像數(shù)字處理器、高速以太網(wǎng)、指示信號燈。

        裝置采用TMS320DM6437DSP 作為圖像數(shù)字處理器。TMS320DM6437是美國TI公司推出的專為高性能視頻應(yīng)用開發(fā)的達(dá)芬奇(DaVinci(TM))技術(shù)的處理器系列,其主頻為600 MHz,支持8個8位或4個16位并行MAC 運算,峰值處理能力高達(dá)4 800 MIPS,可實時處理8路CIF或3路D1格式的H.264編碼算法;采用2 級Cache存儲器體系結(jié)構(gòu),存儲器體系結(jié)構(gòu)靈活、合理,有利于提高圖像處理代碼/數(shù)據(jù)的吞吐率;片上具有64通道增強(qiáng)型DMA 控制器EDMA3,其支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型的傳輸,有利于圖像數(shù)據(jù)的高效傳輸和格式變換;豐富的外部存儲器接口包括:一個專用的32位、200 MHz、256 MB 尋 址 空 間 的DDR2 存 儲 器 接 口用于接口高速、大容量的DDR2存儲器以存儲代碼和數(shù)據(jù),一個8 位、64 MB 尋址空間的異步存儲器接口用于接口8 位Nor Flash 或Nand Flash 以存儲固化代碼;豐富的片上外設(shè)包括:一個專用的單通道視頻輸入接口,既可以方便地與各種數(shù)字視頻輸入標(biāo)準(zhǔn)接口,還具有常用的視頻預(yù)處理功能。一個專用的單通道視頻輸出接口,既可以提供多種模擬視頻輸出標(biāo)準(zhǔn),還可以提供各種數(shù)字視頻輸出標(biāo)準(zhǔn)接口,并且在視頻輸出之前,還支持多個視頻窗口管理及在視頻畫面上疊加文本數(shù)據(jù)。一個多通道音頻串口,可無縫接口音頻Codec器件,實現(xiàn)模擬視頻信號的輸入/輸出。一個I2C總線,可無縫接口視頻解碼器/編碼器和音頻Codec的控制口,方便實現(xiàn)音/視頻編解碼器的控制。10/100M 以太網(wǎng)MAC,方便實現(xiàn)嵌入式視頻網(wǎng)絡(luò)化要求。由上可知,DM6437是非常適合于作為視頻處理系統(tǒng)的高性能主處理器。成像畸變校正裝置的硬件結(jié)構(gòu)示意見圖2。

        圖2 用于變電站視頻廣角鏡頭成像畸變校正裝置的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

        裝置主要由攝像機(jī)+廣角鏡頭+微處理器模塊組成,采用該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在變電站監(jiān)視區(qū)域內(nèi)利用最少的攝像機(jī)實現(xiàn)變電站全區(qū)域覆蓋的動態(tài)目標(biāo)高精度識別與定位,使基于視覺定位的變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)進(jìn)入實用化。

        2.2 成像畸變校正裝置的軟件算法

        畸變校正基于光學(xué)成像的三個特性:a通過光心的直線成像后仍為直線;b越接近光軸中心的點畸變量越小;c垂直于光軸的物平面上兩條長度相等的直線段,在理想光學(xué)系統(tǒng)(無畸變)條件下成像在像平面上對應(yīng)的兩條線段長度相同[3]。

        畸變校正算法有很多種,考慮到廣角鏡頭帶來的畸變主要是桶形畸變,而本裝置畸變校正要求精度高、計算簡單、處理速度快等特點,所以裝置軟件算法采用了改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)圖形法[4-5]來校正圖像畸變。采用改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)圖形法需要制作一個標(biāo)準(zhǔn)模板,計算鏡頭畸變系數(shù),標(biāo)定不同的攝像機(jī)和鏡頭。鏡頭畸變系數(shù)的求解采用多項式法[6]可以很方便地計算出來,校正精度可達(dá)到像素級。用于畸變校正的計算公式如下:

        其中:xp,yp是校 正 后 的 坐 標(biāo);xd,yd是 畸 變 坐 標(biāo);k是畸變系數(shù);r是坐標(biāo)的向量值,。

        畸變校正裝置軟件處理流程見圖3。

        3 畸變校正效果

        通過理論計算、計算機(jī)仿真和實驗室檢測,在水平、垂直、徑向的校正均優(yōu)于傳統(tǒng)的方法,裝置對廣角鏡頭成像畸變的校正效果顯著。根據(jù)畸變校正公式計算,在鏡頭高度為3m、覆蓋區(qū)域為40 m×40 m 的范圍內(nèi),按最差情況考慮,圖像未經(jīng)校正時其徑向畸變和切向畸變分別達(dá)到32.0%和2.8%,在經(jīng)過該裝置處理后經(jīng)向畸變和切向畸變分別降低到3.3%和0.9%,校正計算速度超過25幀/s,校正精度達(dá)到亞像素級。經(jīng)計算機(jī)仿真和實驗室檢測都驗證了以上效果,經(jīng)現(xiàn)場實際運行取得了預(yù)期的效果?;冃UЧ妶D4。

        4 成像畸變校正裝置在變電站作業(yè)安全風(fēng)險管控的應(yīng)用

        圖3 廣角鏡頭成像畸變校正裝置軟件處理流程

        圖4 畸變校正效果

        變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)于2014年10月在延邊汪清220kV 變電站正式投入使用。汪清220kV變電站占地31 010m2,敷設(shè)了19臺廣角攝像機(jī)和畸變校正裝置,實現(xiàn)了對整個變電站無死角的全覆蓋,畸變校正裝置串接在廣角攝像機(jī)和作業(yè)安全管控系統(tǒng)之間,對畸變圖像實現(xiàn)快速高精度校正,輸入視頻模擬信號,輸出以太網(wǎng)數(shù)字碼流,為作業(yè)安全管控系統(tǒng)捕捉動態(tài)目標(biāo)并精確定位目標(biāo)所處坐標(biāo)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

        通過在延邊汪清220kV 變電站的實際應(yīng)用證明,該成像畸變校正裝置及校正算法的解決方案實用高效,解決了廣角攝像機(jī)固有的畸變問題,作業(yè)安全管控系統(tǒng)可以憑借廣角攝像機(jī)的大范圍覆蓋面使系統(tǒng)攝像機(jī)布置數(shù)量大大減少,架設(shè)要求降低,保證了定位精度。系統(tǒng)運行以來,發(fā)現(xiàn)巡視不到位、檢修故障超出工作范圍等十余次習(xí)慣性違章,通過系統(tǒng)主動提醒、報警等手段及時糾正了違章現(xiàn)象,切實提升了作業(yè)人員安全意識,強(qiáng)化了安全監(jiān)督手段,確保了變電站設(shè)備及人員安全。

        [1] 谷月雁,司剛,劉清瑞.無線定位技術(shù)在變電站作業(yè)安全管理中的應(yīng)用[J].電氣技術(shù),2012,(12):78-81.

        [2] 肖穎.小畸變廣角鏡頭的研究[D].長春:長春理工大學(xué):2013.

        [3] 范勇,張佳成,陳念年,等.圖像幾何畸變校正方法[J].計算機(jī)工程與應(yīng)用,2009,45(29):194-197.

        [4] 朱掙濤,黎紹發(fā).鏡頭畸變及其校正技術(shù)[J].光學(xué)技術(shù),2005,31(1):136-138.

        [5] 姜大志,孫俊蘭.標(biāo)準(zhǔn)圖形法求解相機(jī)鏡頭非線性畸變的研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,31(4):111-116.

        [6] 牛建軍,劉上乾.高準(zhǔn)確度光電成像測量系統(tǒng)圖像畸變校正算法[J].光子學(xué)報,2006,35(9)1317-1320.

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