馮硯廳

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

鐵塔單目立體視覺測量技術(shù)研究

馮硯廳

(國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

介紹單目平面測量、單目立體視覺測量技術(shù)特點，分析單目立體視覺測量技術(shù)的原理、測量步驟及應(yīng)用實例，說明應(yīng)用效果，并提出單目立體視覺測量技術(shù)應(yīng)用于鐵塔測量時的注意事項。

鐵塔；單目立體視覺測量技術(shù)；單目平面視覺測量技術(shù)

1 鐵塔單目立體視覺測量技術(shù)的提出

鐵塔在安裝后和運(yùn)行過程中，由于安裝質(zhì)量、運(yùn)行中的地面不均勻沉降、螺栓松動等原因會發(fā)生偏斜、彎曲、扭曲等變形，當(dāng)變形超過標(biāo)準(zhǔn)允許值時，需要對鐵塔進(jìn)行處理，否則有可能在惡劣天氣等因素作用下發(fā)生倒塔事故。鐵塔是否變形是鐵塔監(jiān)督的一個重要內(nèi)容。目前，相關(guān)單位均采用全站儀、經(jīng)緯儀、上塔吊線等對鐵塔進(jìn)行測量，但這些方法測量速度較慢，容易受到帶電、天氣等因素的影響而無法完成測量，而且測量得到的數(shù)據(jù)信息少，不能同時對所有的桿件進(jìn)行測量[1]。

單目平面測量采用1臺照相機(jī)對鐵塔進(jìn)行照相，通過1張照片可以完成平面測量工作，但由于單張照片對平面測量的遠(yuǎn)近距離不敏感，無法確定遠(yuǎn)近尺寸，因此也無法完成立體測量。鐵塔單目立體視覺測量技術(shù)是采用1臺照相機(jī)從鐵塔的不同角度快速拍照完成鐵塔的測量工作，只需對鐵塔進(jìn)行一次性拍照，然后在辦公室內(nèi)進(jìn)行圖像計算和處理，即可實現(xiàn)鐵塔的測量目的，即通過利用計算機(jī)圖像處理技術(shù)對不同角度的鐵塔圖像進(jìn)行處理，完成鐵塔的立體再現(xiàn)，從而實現(xiàn)立體測量的工作。單目平面測量減小了圖像畸變中的視覺畸變，解決了大角度測量的問題，但對于深度不敏感，而鐵塔單目立體視覺測量則可以在平面測量的基礎(chǔ)上較好地實現(xiàn)鐵塔的立體測量。

2 鐵塔單目立體視覺測量技術(shù)原理分析

鐵塔單目立體視覺測量技術(shù)是在單目平面測量技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種立體測量技術(shù)[2]。利用單目平面測量中得到的物像面作為空間虛擬投影面，單目測量中的物點為鐵塔物點在空間虛擬投影面上的投影。在鐵塔空間，通過兩張照片利用單目視覺測量技術(shù)產(chǎn)生至少2個空間虛擬投影面，通過這些空間虛擬投影面確定鐵塔物點空間坐標(biāo)，從而完成鐵塔空間測量工作。

2.1 單目平面測量技術(shù)原理

單目平面測量是不考慮景深的前提下，對圖像進(jìn)行二維測量，其測量步驟主要包括相機(jī)標(biāo)定、圖像校正、照相距離確定、圖像訓(xùn)練、尺寸計算等。這些程序需要在計算機(jī)的輔助下完成[3]。

相機(jī)的標(biāo)定和鏡頭的標(biāo)定不同，主要是根據(jù)已知的照相距離求出與相機(jī)有關(guān)的常數(shù)k，見式(1)。

(1)

式中：k為常數(shù)；ΔX為物體在圖像中所占有的像素尺寸；B為物體的實際寬度，mm；f為照相時相機(jī)的焦距，mm；L為照相位置與實物的距離，mm。

圖像的校正是將由于照相角度不同引起的視覺畸變修正，如果要求精度更高則需要進(jìn)一步進(jìn)行鏡頭畸變修正。修正方法是將視覺畸變修正后的數(shù)值進(jìn)行擬合，這樣修正后的圖像不會隨仰角變化而發(fā)生變化，一次標(biāo)定即可不限時間、不限場合使用。

照相距離的確定則是在已知常數(shù)k的條件下根據(jù)公式(1)求出照相距離L，利用公式(2)可以求出所求點距基準(zhǔn)點的垂直距離HA。

(2)

圖1 HA計算示意

2.2 單目立體視覺測量技術(shù)原理

鐵塔單目立體視覺測量是在單目鐵塔平面測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)以中心樁為坐標(biāo)原點，以4個腳樁軸對稱的空間坐標(biāo)的定位，從而實現(xiàn)空間尺寸的測量。如圖2所示，自O(shè)點向鐵塔RQ照相，存在空間虛擬投影面HA，鐵塔RQ上存在一點W，W在HA上投影點M的實際高度為z1=MA。

圖2 單目立體視覺測量中的空間虛擬投影面示意

從頂部向下觀察，即鐵塔在水平面的投影，見圖3。4個塔腳呈方形，根開為l,照相位置O距離A腳的距離OA=L，虛擬的成像面過A點與OA垂直，則圖中α與a,b的關(guān)系有：

(3)

圖3 單目立體視覺測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意

令X=x0-x1，Y=y0-y1，Z=z0-z1， 則鐵塔上物點W(xw，yw，zw)距(x0，y0，x0)和(x1，y1，x1)形成的直線距離為:

(4)

根據(jù)公式(4)可以得到同一空間點W與不同圖像處理得到的直線的距離d1,d2,d3…………dn。

(5)

可求出空間點的坐標(biāo),即物點W的實際坐標(biāo)(xw，yw，zw)。

3 鐵塔單目視覺立體測量步驟

3.1 圖像訓(xùn)練

當(dāng)max(d1,d2,……dn)大于平均值的1.01倍時，需要對偏離平均值的直線對應(yīng)的圖像進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練方法是規(guī)劃求解，通過調(diào)整的圖像對應(yīng)實際尺寸的比例關(guān)系，改變相機(jī)距鐵塔的距離L，然后再對各像點進(jìn)行重新計算，求出物點的計算坐標(biāo)，令計算坐標(biāo)與實際坐標(biāo)相等，即可求解出圖像對應(yīng)的實際比例關(guān)系并固定下來，另外還需要檢查圖像的傾斜角度、平面角度等計算是否正確。

3.2 圖像的傾斜校正

照相時圖像有可能不完全豎直，鐵塔與豎直方向的夾角定為傾斜角，記為β。鐵塔的中心線特別是底部的中心線應(yīng)當(dāng)是豎直的，圖像校正時，則以底部相鄰兩層的中點連線作為傾斜校正的依據(jù)。也可以利用照相時設(shè)置的鉛直線來校正。

3.3 物點的計算

將各公式編入電算表，將所求點在圖像中的像素坐標(biāo)輸入電算表中即可求出該點對應(yīng)物點的空間實際坐標(biāo)，這些坐標(biāo)可以用于直接的測量計算，也可以作為CAD等軟件的輸入?yún)?shù)，從而形成立體的鐵塔圖形。圖4為某塔發(fā)生彎曲后俯視鐵塔時物點W的求解示意圖，3幅圖像通過各自照相機(jī)位置發(fā)出來的射線通過各自物像點交匯于物點。圖4中，W為物點之一，M1為W在第1幅圖像空間虛擬投影面上的投影，M2為W在第2幅圖像空間虛擬投影面上的投影，M3為W在第3幅圖像空間虛擬投影面上的投影。

4 鐵塔單目視覺立體測量技術(shù)應(yīng)用

4.1 應(yīng)用實例

某線路N9塔發(fā)生彎曲，為了分析彎曲原因，需要對塔進(jìn)行測量，由于線路帶電，無法爬塔定位，采用全站儀和照相測量方法同時測量。取3幅圖像，B腿頂在3幅圖像中以B腿底為原點的坐標(biāo)(像素)分別為(780.5，262.25)、(1 062.3，526.83)、(1 229，163.67)，通過計算實際B腿頂坐標(biāo)(mm)為(-334，-394，23 649)，全站儀測量值換成坐標(biāo)值為(-337，-400，未測)，圖紙塔高為23 700 mm。每幅圖像的尺寸偏差不超過1%。

圖4 物點求解示意

4.2 應(yīng)用效果

單點測量時，全站儀等可以直接現(xiàn)場計算出數(shù)據(jù)，照相法需要進(jìn)行后續(xù)計算，但圖像法可以同時測量海量的數(shù)據(jù)，而全站儀無法短時間內(nèi)做到。本次應(yīng)用中，圖像法可以找出每個位置的變形量，快速找到鐵塔的薄弱點，其它的方法無法短時間實現(xiàn)?？焖俣帱c同時測量在鐵塔的穩(wěn)定性分析中作用較大。

5 建議

a. 在實際應(yīng)用時，如果未設(shè)置鉛直線，又沒有圖像的傾斜校正參照時，可以參考最下面兩層橫桿的中心連線，因為最底部變形相對較小。

b. 如果沒有對鏡頭畸變進(jìn)行校正時，則照相時應(yīng)將被測量物體置于圖像中部，這樣可以減小測量誤差。采用長焦鏡頭會減小測量誤差，最好選用長焦鏡頭并配三角架。高分辨率的相機(jī)可以提高像素識別精度，提高測量準(zhǔn)確度。

c. 鐵塔單目立體視覺測量，是在計算機(jī)輔助下的半自動計算，識別所求位置在各圖像中的對應(yīng)點需要手工完成，如果要實現(xiàn)鐵塔的立體復(fù)形，需要計算機(jī)自動識別對應(yīng)點，還有很多難題需要解決。

[1] 黃桂平，李廣云，王保豐，等．單目視覺測量技術(shù)研究[J]．計量學(xué)報，2004，25(4)：314-317．

[2] 岳 亮，李自田,李長樂,等.空間目標(biāo)的單目視覺測量技術(shù)研究[J].微計算機(jī)信息,2007,23(2)：273-275.

[3] 馮硯廳，申軍輝，艾增棟，等.鐵塔單目視覺測量技術(shù)研究[J].河北電力技術(shù)，2012, 31(6)：5-8.

本文責(zé)任編輯：楊秀敏

Research on Tower Measurement by Monocular Stereo Vision Measurement Technology

Definition and measurement principle of monocular plane and stereo vision is introduced in this paper,and the measuring steps and application examples of monocular stereo vision measurement technique is discussed.The application effect is shown well.The monocular stereo vision technology measurement points for attention are given as in tower actual measurement.

tower;monocular stereo vision measurement technology;monocular plane vision measurement technology

2013-04-03

馮硯廳(1965-)，男，高級工程師，主要從事焊接、鍋檢、失效分析研究工作。

TM753

B

1001-9898(2013)04-0001-03