李金哲
摘要:針對(duì)目標(biāo)物間距-尺寸的遠(yuǎn)距離測(cè)量,為了提高巡檢效率,研制遠(yuǎn)距目標(biāo)尺寸測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)基于激光測(cè)距技術(shù)和圖像處理技術(shù),通過(guò)高清相機(jī)與激光測(cè)距儀獲取目標(biāo)物的像素點(diǎn)信息,由小孔成像原理推導(dǎo)尺寸計(jì)算公式得出目標(biāo)物尺寸。系統(tǒng)框架采用便攜式設(shè)計(jì),通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊使其具有遠(yuǎn)距離無(wú)線控制功能,可應(yīng)用于車(chē)載及無(wú)人機(jī)等巡檢平臺(tái)。測(cè)量系統(tǒng)分別對(duì)室外52m、89m、132m三個(gè)距離處的目標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試,系統(tǒng)測(cè)量的尺寸誤差分別為1.9%,2.2%,2.9%,試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證系統(tǒng)在高壓輸電線路的巡檢及其他遠(yuǎn)距離目標(biāo)測(cè)量應(yīng)用中能保證較高的測(cè)量精度。
關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)距目標(biāo);激光測(cè)距技術(shù);圖像處理;尺寸測(cè)量;
引言
目前,高壓輸電線路安全走廊通道的巡檢與維護(hù)主要采用地面人工巡檢和直升機(jī)巡檢[1-2]。人工巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度大,巡檢工作主要在地面進(jìn)行,對(duì)于空中高壓輸電線路與樹(shù)木頂端的距離判斷偏差較大,且因視線遮擋極易產(chǎn)生巡檢盲區(qū),森林疾病及野生動(dòng)物也給巡視人員帶來(lái)安全隱患。直升機(jī)巡檢存在飛行安全隱患且巡線成本高,且因沒(méi)有合適的遠(yuǎn)距目標(biāo)尺寸測(cè)量機(jī)載設(shè)備,只能通過(guò)巡檢圖像大致估計(jì)高壓輸電線路與樹(shù)木之間距離,限制了直升機(jī)巡檢推廣。
近年來(lái)激光測(cè)距技術(shù)和圖像處理技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于目標(biāo)物尺寸測(cè)量測(cè)繪[3-4]。為了提高巡檢效率,提供更加安全可靠的巡檢方式,本文基于激光測(cè)距技術(shù)和圖像處理技術(shù)研制了遠(yuǎn)距離目標(biāo)尺寸測(cè)量系統(tǒng),可應(yīng)用于車(chē)載及無(wú)人機(jī)巡檢。本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)距離目標(biāo)尺寸測(cè)量系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱“DMSRT”)則避免了目標(biāo)物過(guò)小造成的瞄準(zhǔn)困難,測(cè)量示意圖見(jiàn)圖1,采取了將激光照射在面積更大的區(qū)域獲得距離信息,待測(cè)目標(biāo)尺寸置于相機(jī)視場(chǎng)中完成拍照,隨后完成測(cè)量計(jì)算。
1間距-尺寸測(cè)量原理
間距-尺寸測(cè)量算法基于小孔成像原理[5]推導(dǎo)得出,計(jì)算中需要獲得清晰圖像中的目標(biāo)尺寸所占像素點(diǎn)個(gè)數(shù),DMSRT使用兩臺(tái)激光測(cè)距儀發(fā)出兩束平行激光形成參考點(diǎn),高清相機(jī)采集視場(chǎng)中目標(biāo)圖像并獲得目標(biāo)尺寸的像素點(diǎn)個(gè)數(shù),通過(guò)像素比例推算輸電線路和目標(biāo)(如樹(shù)木)之間的間距和尺寸。
1.1垂直間距測(cè)量
式中:分別為圖像中待測(cè)的垂直像素間距和兩激光點(diǎn)像素間距;s、d分別為實(shí)際的垂直間距和兩激光點(diǎn)的間距;是垂直間距在焦平面上的投影尺寸,θ為系統(tǒng)的俯仰角,垂直間距測(cè)量原理圖如圖2所示。
1.2尺寸測(cè)量
式中:h為待測(cè)的目標(biāo)尺寸,h′為待測(cè)目標(biāo)h所占像素個(gè)數(shù),d為兩激光點(diǎn)的間距,d′為d所占像素個(gè)數(shù);l1、l2為激光測(cè)距儀的測(cè)量值,尺寸測(cè)量原理圖如圖3所示。
2硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)測(cè)量原理,系統(tǒng)硬件主要由激光測(cè)距儀,高清相機(jī),傾角傳感器組成,系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖4。其中,選用高分辨率高清相機(jī),35mm等效焦距為28-100mm,光學(xué)放大倍率為3.6倍;激光測(cè)距儀的精度為1.5mm,測(cè)量范圍為250m;傾角傳感器的精度為±0.1°,測(cè)量范圍為±90°。激光測(cè)距儀和傾角傳感器通過(guò)RS232接口與PC控制端通信。
考慮到自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)要滿足能掛載在無(wú)人上的功能需求,所以設(shè)備殼體材料選用碳纖維,內(nèi)部鋁型材支撐,外形尺寸130*155*200,系統(tǒng)裝置總重量為4kg。在無(wú)人機(jī)模式中,串口通信以及高清相機(jī)通過(guò)數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。
3軟件設(shè)計(jì)
3.1 激光位置標(biāo)定
由于激光光點(diǎn)在遠(yuǎn)距離處較難被相機(jī)捕捉到,為了在所需要將激光光點(diǎn)位置在相機(jī)預(yù)覽窗口中指示并最終保存在圖像結(jié)果中。通過(guò)標(biāo)定像素點(diǎn)個(gè)數(shù)d'、焦距位置F和目標(biāo)距離L之間的關(guān)系完成激光點(diǎn)的跟蹤。具體標(biāo)定方式如下。
系統(tǒng)使用的相機(jī)可以標(biāo)記當(dāng)前焦距位置并返回?cái)?shù)值F,F(xiàn)數(shù)值變化范圍0~100。兩臺(tái)激光測(cè)距儀相對(duì)于相機(jī)中心對(duì)稱布置,激光測(cè)距儀之間的安裝距離d=126mm,尺寸d在圖像中所占像素點(diǎn)個(gè)數(shù)d′隨著目標(biāo)物距離L以及相機(jī)的焦距位置F變化而不同。通過(guò)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn),若目標(biāo)物距離L不變,d′與焦距位置F不完全成線形關(guān)系,若焦距位置F不變,d′與目標(biāo)物距離L成線形關(guān)系。則像素點(diǎn)數(shù)d'可以通過(guò)式x求出。
其中,N10F是標(biāo)定表中F焦距處像素點(diǎn)數(shù),L是目標(biāo)物距離。
3.2軟件操作
相機(jī)預(yù)覽窗口中,激光點(diǎn)的位置通過(guò)兩個(gè)紅色矩形框指示出。通過(guò)矩形框,控制裝置的俯仰和方位,直到在目標(biāo)區(qū)域返回距離值L。在拍照的同時(shí),激光點(diǎn)的位置寫(xiě)入到圖片文件中。系統(tǒng)控制軟件界面見(jiàn)圖5.
4自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用及結(jié)果分析
該自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)室內(nèi)標(biāo)定測(cè)試后,超高壓走廊線路進(jìn)行了實(shí)用性檢驗(yàn),分別進(jìn)行了52m,89m,135m三檔距離的測(cè)試。結(jié)果見(jiàn)表1。
系統(tǒng)的測(cè)量誤差主要來(lái)自相機(jī)與傳感器的安裝誤差,標(biāo)定時(shí)所產(chǎn)生的測(cè)量誤差以及相機(jī)成像的穩(wěn)定性。受到外界光照條件的變化,相機(jī)在成像質(zhì)量上可能會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量下降的現(xiàn)象,從而造成像素點(diǎn)數(shù)的變化,從式中可知,當(dāng)距離逐漸增大,像素點(diǎn)上的誤差對(duì)精度的影響也將增大。但是從試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)成像質(zhì)量產(chǎn)生的誤差對(duì)系統(tǒng)的精度影響很小。3檔距離下的測(cè)試誤差分別為1.9%,2.2%,2.9%,系統(tǒng)在三組試驗(yàn)中均保持了較高的測(cè)量精度。
5結(jié)論
遠(yuǎn)距目標(biāo)尺寸測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的遠(yuǎn)距離尺寸測(cè)量。與現(xiàn)有的測(cè)量方式相比,其具有更高的測(cè)量效率。自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)不需要精確指向目標(biāo)點(diǎn),只需在目標(biāo)物附近找到大小合適的激光反射面即可,避免了在經(jīng)緯儀使用過(guò)程中需要精確調(diào)整鏡頭的操作。自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在完成相機(jī)拍照后,可保存包含距離、傾角數(shù)據(jù)的圖像文件,從而實(shí)現(xiàn)離線多目標(biāo)測(cè)量和追溯功能,該系統(tǒng)在測(cè)繪領(lǐng)域具有較大應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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