一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法技术

本发明专利技术提出一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法。首先，对二维图像中的隔离开关关键点进行逆透视投影变换，求解各点在三维空间中的坐标。然后，在三维空间中对隔离开关关键点进行旋转变换，模拟实际场景中巡检机器人拍摄角度的变化。最后，将旋转变换后的关键点重新投影到二维平面，并在二维平面中重构出新的隔离开关图像，从而实现隔离开关图像数据的扩充。本发明专利技术的优点是：通过模拟拍摄角度变化进行隔离开关图像数据的扩充，有利于提升隔离开关分合状态识别算法的训练数据质量，从而提升自动识别效果。

An expansion method of image data of double column horizontal rotary disconnector

【技术实现步骤摘要】
一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法
本专利技术属于电力系统领域，尤其涉及一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法。
技术介绍
在智能变电站建设中，随着巡检机器人的普及和变电站图像数据的积累，基于图像数据的电力设备状态自动识别方法逐步得到应用。其中，隔离开关的分合状态识别影响到对设备间电路通断的判断，关系到变电站乃至电网的安全稳定运行，因此实现这一巡检项目的自动化对于提高变电站巡检的效率和可靠性都有重要的意义。对于隔离开关分合状态自动识别算法而言，隔离开关图像数据的数量和质量是算法准确性的重要保证。双柱水平旋转式隔离开关，是目前应用最广泛的隔离开关型式之一。对于双柱水平旋转式隔离开关的分合状态识别问题，一些研究基于尺度不变特征变换(ScaleInvariantFeatureTransform，SIFT)对实时图像和已有的模板图像数据进行关键点的检测和匹配，从而判断分合状态；一些研究通过SIFT匹配得到包含隔离开关的子区域后，采用Hough变换检测直线存在与否来判断分合状态；一些研究则采用传统的机器学习方法或者基于深度学习的目标检测算法对隔离开关在图像中的位置和分合状态进行识别。然而，上述方法都依赖于对现有图像数据特征的提取和学习，算法的识别效果往往受限于实际工程应用中图像数据集的数量和质量，与识别算法本身的设计和改进相比，目前对于数据集改进和扩充的研究还比较少。传统的图像数据扩充方法主要是平移、放缩、旋转、改变亮度等，均是基于二维图像本身进行直接变换，并未充分考虑物体在三维空间中的信息。因此，传统的图像数据扩充方法实际上只能模拟拍摄点的左右和远近平移以及环境亮度的改变等，而难以模拟拍摄角度的变化。由于在户外巡检时，巡检机器人是在固定点进行拍摄，故双柱水平旋转式隔离开关能收集到的不同拍摄角度的图像数量相当有限，而与平移、放缩等变化不同，拍摄角度的变化往往会造成二维图像中隔离开关的形态和部件比例发生较大改变。因此，当待识别图像的隔离开关拍摄角度与已有图像数据集差异较大时，算法的识别效果仍会受到较大的影响。
技术实现思路
本专利技术主要解决了传统图像数据扩充方法无法模拟角度变化，会导致图像中物体形态发生较大改变影响识别结果的问题，提出一种利用透视逆变换将物体关键点由平面坐标转化为空间坐标，在空间坐标中进行角度变化后再转化为平面的坐标的能够模拟物体拍摄角度变化的双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是，一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法，包括以下步骤：S1：建立三维空间坐标系；S2：计算镜头的物距u和像距v；S3：利用逆透视投影变换计算隔离开关关键点位于三维空间坐标系内的坐标；S4：计算旋转变换角度范围；S5：对关键点进行旋转变换以确定隔离开关的整体形态；S6：生成新的二维图像。本专利技术通过建立合适的三维空间坐标系，并基于变电站现场设备参数以及机器人内部设定参数，对二维图像中的隔离开关进行逆透视投影变换，求解隔离开关的各个关键点在三维空间中的坐标，然后，再将隔离开关的关键点还原到三维空间的基础上，通过计算合适的旋转角范围，并对隔离开关关键点进行旋转变换，模拟实际场景中巡检机器人拍摄角度的变化，最终将三维坐标系中旋转变换后的隔离开关关键点通过透视投影变换，重新投影到二维平面中，并在二维平面中重构出新的隔离开关图像，实现隔离开关图像数据的扩充。作为上述一种优选方案，所述步骤S1中三维空间坐标系为左手坐标系，该坐标系以摄像头镜头中心为坐标原点O，以摄像头方向为z轴正方向。作为上述一种优选方案，所述步骤S2中包括以下步骤：S21：获取基本参数信息，包括摄像头仰角θ，镜头焦距f和隔离开关绝缘柱顶的横截面直径d；S22：建立物距u、像距v和镜头焦距f的关系式S23：建立物距u和像距v的关系式其中，d′为图像中隔离开关绝缘柱顶横截面直径；S24：结合步骤S22和步骤S23中公式计算物距u和像距v作为上述一种优选方案，所述步骤S3中关键点包括位于靠近镜头的隔离开关绝缘柱顶的近柱点和位于远离镜头的隔离开关绝缘柱顶的远柱点，近柱点和远柱点的坐标确定方法包括以下步骤：S31：根据近柱点在二维图像上的坐标(x′nc，y′nc)获得三维空间坐标系中的对应坐标(xnc，ync，znc)所述二维图像为摄像机形成的图像；S32：获取远柱点在二维图像上的坐标(x′fc，y′fc)，设远柱点在三维空间坐标系的对应坐标(xfc，yfc，zfc)，根据近柱点和远柱点在同水平面及摄像头与水平面的夹角θ，可得如下三元一次方程组对三元一次方程组进行求解可得作为上述一种优选方案，所述步骤S3中对于分闸状态的隔离开关的关键点还包括近刀点和远刀点，所述近刀点为与近柱点连接的闸刀末端底部，所述远刀点为与远柱点连接的闸刀末端底部，近刀点与远刀点的三维坐标获取方法与近柱点和远柱点相同，近刀点三维坐标为(xnk，ynk，znk)，远刀点三维坐标为(xfk，yfk，zfk)。作为上述一种优选方案，所述步骤S4中计算旋转变换角度范围包括以下步骤：S41：将摄像机镜头和两个绝缘柱投影到近柱点所在的水平面α；S42：获取摄像头与靠近摄像头的隔离开关绝缘柱在水平面α的投影连线与隔离开关两个绝缘柱在水平面α的投影连线之间的夹角S43：根据夹角确定旋转变换角度的范围。作为上述一种优选方案，所述步骤S42中获取夹角包括以下步骤：S421：获取摄像机镜头在水平面α投影点的三维坐标(xlens，ylens，zlens)，其中，θ为摄像头镜头与水平面的夹角；S422：对步骤S421中公式求解得到S423：获得夹角的表达式其中，x′fc远柱点在二维图像上的横坐标，x′nc为近柱点在二维图像上的纵坐标，v1为近柱点到摄像机镜头在水平面α上的投影点的方向向量，v2为近柱点到远柱点的方向向量近柱点的坐标为(xnc，ync，znc)，远柱点的坐标为(xfc，yfc，zfc)。作为上述一种优选方案，所述旋转变换角度的范围满足：其中，为的绝对值上限。作为上述一种优选方案，所述步骤S5中对关键点进行旋转变换以确定隔离开关的整体形态包括以下步骤：S51：设经过近柱点(xnc，ync，znc)的铅垂线为旋转轴，旋转轴的单位方向向量为(a，b，c)，其中a＝0，b＝cosθ，c＝sinθ，θ为摄像头与水平面的夹角；S52：判断隔离开关状态，若隔离开关处于合闸状态，则只对远柱点进行旋转变换，远柱点旋转变换后的三维坐标(xfcr，yfcr，zfcr)满足：(xfcr，yfcr，zfcr)＝(xfc，yfc，zfc)T旋转变换矩阵T为：其中为旋转变换角度，T1、T2、T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法，其特征是：包括以下步骤：/nS1：建立三维空间坐标系；/nS2：计算镜头的物距u和像距v；/nS3：利用逆透视投影变换计算隔离开关关键点位于三维空间坐标系内的坐标；/nS4：计算旋转变换角度范围；/nS5：对关键点进行旋转变换以确定隔离开关的整体形态；/nS6：生成新的二维图像。/n

【技术特征摘要】
1.一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法，其特征是：包括以下步骤：
S1：建立三维空间坐标系；
S2：计算镜头的物距u和像距v；
S3：利用逆透视投影变换计算隔离开关关键点位于三维空间坐标系内的坐标；
S4：计算旋转变换角度范围；
S5：对关键点进行旋转变换以确定隔离开关的整体形态；
S6：生成新的二维图像。


2.根据权利要求1所述的一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法，其特征是：所述步骤S1中三维空间坐标系为左手坐标系，该坐标系以摄像头镜头中心为坐标原点O，以摄像头方向为z轴正方向。


3.根据权利要求1所述的一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法，其特征是：所述步骤S2中包括以下步骤：
S21：获取基本参数信息，包括摄像头仰角θ，镜头焦距f和隔离开关绝缘柱顶的横截面直径d；
S22：建立物距u、像距v和镜头焦距f的关系式



S23：建立物距u和像距v的关系式



其中，d′为图像中隔离开关绝缘柱顶横截面直径；
S24：结合步骤S22和步骤S23中公式计算物距u和像距v





4.根据权利要求1所述的一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法，其特征是：所述步骤S3中关键点包括位于靠近镜头的隔离开关绝缘柱顶的近柱点和位于远离镜头的隔离开关绝缘柱顶的远柱点，近柱点和远柱点的坐标确定方法包括以下步骤：
S31：根据近柱点在二维图像上的坐标(x′nc,y′nc)获得三维空间坐标系中的对应坐标(xnc,ync,znc)



所述二维图像为摄像机形成的图像；
S32：获取远柱点在二维图像上的坐标(x′fc,y′fc)，设远柱点在三维空间坐标系的对应坐标(xfc,yfc,zfc)，根据近柱点和远柱点在同水平面及摄像头与水平面的夹角θ，可得如下三元一次方程组



对三元一次方程组进行求解可得





5.根据权利要求4所述的一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法，其特征是：所述步骤S3中对于分闸状态的隔离开关的关键点还包括近刀点和远刀点，所述近刀点为与近柱点连接的闸刀末端底部，所述远刀点为与远柱点连接的闸刀末端底部，近刀点与远刀点的三维坐标获取方法与近柱点和远柱点相同，近刀点三维坐标为(xnk,ynk,znk)，远刀点三维坐标为(xfk,yfk,zfk)。


6.根据权利要求1所述的一种双柱水平旋转式隔离开关图像数据的扩充方法，其特征是：所述步骤S4中计算旋转变换角度范围包括以下步骤：
S41：将摄像机镜头和两个绝缘柱投影到近柱点所在的水平面α；
S42：获取摄像头与靠近摄像头的隔离开关绝缘柱在水平面α的投影连线与隔离开关两个绝缘柱在水平面α的投影连线之间的夹角

【专利技术属性】
技术研发人员：管敏渊，楼平，金国亮，吴国强，王涤，卜鹏，高奥，钱晓杰，李凡，施康明，
申请(专利权)人：国网浙江省电力有限公司湖州供电公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33