一种基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建方法及系统技术方案

本发明专利技术实施例涉及一种基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建方法及系统，其中，所述方法包括：标定三目视觉系统中的三目摄像机，并通过视点平面扫描技术为完成三目标定的各个摄像机计算空间概率图；利用半全局代价空间优化方法优化各个所述空间概率图，并基于优化后的空间概率图生成三个深度点云；对所述三个深度点云进行融合和过滤，以得到重建后的深度图，并基于所述重建后的深度图拟合导线弧垂。本申请提供的技术方案，能够精确地利用三目视觉实现输电导线弧垂的三维重建。

A 3D reconstruction method and system of transmission line sag based on binocular vision

【技术实现步骤摘要】
一种基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建方法及系统
本申请涉及数据处理
，特别涉及一种基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建方法及系统。
技术介绍
高压输电通道极易因为下方存在吊车、挖掘机、很高的树木等造成放电，带来影响输电安全的严重事故。为此除了需要检测吊车、挖掘机、很高的树木等危险源，还要对输电导线的弧垂进行三维重建，确定这些危险源与输电导线的距离，如果距离太近就要及时预警，以保障高压输电的安全进行。目前常用的三维场景重建方法是基于双目视觉的。采用两个视觉传感器模拟人的视觉成像实现三维场景重建。也有采用雷达实现三维重建。在目前电力系统中，利用三目视觉实现输电导线弧垂的三维重建尚未出现。现有的基于双目视觉的方法，在输电导线弧垂重建时准确性不高；而就基于雷达的三维重建方法虽然重建的准确性比较高，但成本太高。
技术实现思路
本申请的目的在于提供一种基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建方法及系统，能够精确地利用三目视觉实现输电导线弧垂的三维重建。为实现上述目的，本申请提供一种基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建方法，所述方法包括：标定三目视觉系统中的三目摄像机，并通过视点平面扫描技术为完成三目标定的各个摄像机计算空间概率图；利用半全局代价空间优化方法优化各个所述空间概率图，并基于优化后的空间概率图生成三个深度点云；对所述三个深度点云进行融合和过滤，以得到重建后的深度图，并基于所述重建后的深度图拟合导线弧垂。进一步地，标定三目视觉系统中的三目摄像机包括：采用张氏标定法独立标定所述三目视觉系统中各个摄像机的内部参数和畸变参数；通过独立标定后的各个所述摄像机采集图像，并基于所述图像中标记的控制点，两两标定所述三目视觉系统中的各对摄像机；基于所述图像中的所述控制点，对完成两两标定的摄像机采用光束平差参数优化方法标定三目摄像机。进一步地，所述内部参数用于表征摄像机的内部结构参数，所述畸变参数用于表征摄像机的径向畸变和切向畸变；按照以下公式完成各个摄像机的独立标定：其中，表示平移变量矩阵，表示畸变变量矩阵，fx和fy表示偏移量参数，cx和cy表示横宽系数，rij和tk表示畸变系数，s表示变换参数，(u，v)表示像素点的成像坐标，(X，Y，Z)表示三维坐标。进一步地，基于所述图像中标记的控制点，两两标定所述三目视觉系统中的各对摄像机包括：计算所述控制点上的SIFT特征描述子，并使用Hamming距离两两匹配不同图像中的对应控制点，采用随机采样一致性过滤掉控制点之间的错误匹配，以建立两个摄像机之间的姿态关系；其中，所述控制点是图像中在某方面属性突出的像素点，是在某些属性上强度最大或者最小的孤立点、线段的终点。进一步地，各对摄像机按照以下公式标定出左右摄像机坐标系之间的相对关系：R＝R2R1-1T＝T2-R2R1-1T1其中，R和T分别为用于表征左右两个摄像机的相对关系的旋转矩阵和平移距阵，R1和T1分别为第一个摄像机经过独立标定得到的相对标定物的旋转矩阵和平移向量，R2和T2分别为第二个摄像机经过独立标定得到的相对标定物的旋转矩阵和平移向量。进一步地，对完成两两标定的摄像机采用光束平差参数优化方法标定三目摄像机包括：采用光束平差参数优化方法，对完成两两标定的三个摄像机的内部参数、外部参数和畸变参数同时优化，在各个摄相机对应的视图之间消除畸变并实现行对准，使得左右视图的成像原点坐标一致、摄像机的光轴平行、左右成像平面共面、对极线行对齐，以完成三目摄像机的标定；其中，三目摄像机的三个摄像机安装在同一水平线上，并且各个摄像机的光轴保持水平，以及中间的摄像机与左右两边的两个摄像机具备相等间隔。进一步地，光束平差参数优化方法实现以下公式表征的最小化问题：其中，m为3，代表三个摄像机拍到三个图像，n是在三个图像中共同可见的控制点的数量，xij是图像j上的第i个控制点的坐标，vij是一个开关量，如果控制点i在图像j上有映射，则vij＝1，否则vij＝0，图像j由向量aj参数化表示，每个控制点i由bi参数化表示，Q(aj,bi)表示控制点i在图像j上的通过各个参数计算得到的坐标，d(p,q)表示向量(p,q)的欧式距离。进一步地，对所述三个深度点云进行融合和过滤包括：将三个深度点云上的点映射到三维世界坐标系中，在每个三维世界坐标系中的点对应三个深度值；如果同一个点对应的三个深度值之间的差别超出预设范围，滤出这个点；否则将三个深度值取中值作为最终的深度值。进一步地，基于所述重建后的深度图拟合导线弧垂包括：从重建后的深度图中随机选择N个三维重建的点；通过随机选择的点拟合二次方程，并计算除所述随机选择的点之外的数据点在所述二次方程中的误差，若该误差小于预设误差阈值，将所述数据点加入至随机选择的点中；若当前随机选择的点的总数量大于预设数量阈值，基于当前随机选择的点再次拟合二次方式，并计算当前随机选择的点在再次拟合的二次方程中的误差；若计算得到的误差小于当前的最优误差，保存所述计算得到的误差和再次拟合得到的二次方式；判断当前的迭代次数是否达到最大迭代次数，若达到，输出当前的拟合模型；若没有达到，返回从重建后的深度图中随机选择N个三维重建的点的步骤。为实现上述目的，本申请还提供一种基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建系统，所述系统包括：空间概率图计算单元，用于标定三目视觉系统中的三目摄像机，并通过视点平面扫描技术为完成三目标定的各个摄像机计算空间概率图；深度点云生成单元，用于利用半全局代价空间优化方法优化各个所述空间概率图，并基于优化后的空间概率图生成三个深度点云；导线弧垂拟合单元，用于对所述三个深度点云进行融合和过滤，以得到重建后的深度图，并基于所述重建后的深度图拟合导线弧垂。由上可见，本专利技术基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建技术，相比于常见的基于双目视觉的三维重建，可以得到更多的信息，更好地检测噪声点等异常点，更好地判断弧垂的重建是否正确，克服现有双目重建精度不够高的问题，实现弧垂的准确重建。此外，可以准确地重建出导线弧垂的实际三维场景，重建的误差在水平和垂直方向精度小于0.1米。在深度方向偏差平均值小于0.3米，满足电力系统的实际需求，有效保证输电导线的安全和居民用电的稳定性，具有良好的社会效益和较好的经济效果。附图说明图1为本申请实施例中基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建方法的步骤图；图2为本申请实施例中基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建系统的功能模块示意图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建方法，其特征在于，所述方法包括：/n标定三目视觉系统中的三目摄像机，并通过视点平面扫描技术为完成三目标定的各个摄像机计算空间概率图；/n利用半全局代价空间优化方法优化各个所述空间概率图，并基于优化后的空间概率图生成三个深度点云；/n对所述三个深度点云进行融合和过滤，以得到重建后的深度图，并基于所述重建后的深度图拟合导线弧垂。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于三目视觉的输电导线弧垂的三维重建方法，其特征在于，所述方法包括：
标定三目视觉系统中的三目摄像机，并通过视点平面扫描技术为完成三目标定的各个摄像机计算空间概率图；
利用半全局代价空间优化方法优化各个所述空间概率图，并基于优化后的空间概率图生成三个深度点云；
对所述三个深度点云进行融合和过滤，以得到重建后的深度图，并基于所述重建后的深度图拟合导线弧垂。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，标定三目视觉系统中的三目摄像机包括：
采用张氏标定法独立标定所述三目视觉系统中各个摄像机的内部参数和畸变参数；
通过独立标定后的各个所述摄像机采集图像，并基于所述图像中标记的控制点，两两标定所述三目视觉系统中的各对摄像机；
基于所述图像中的所述控制点，对完成两两标定的摄像机采用光束平差参数优化方法标定三目摄像机。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述内部参数用于表征摄像机的内部结构参数，所述畸变参数用于表征摄像机的径向畸变和切向畸变；按照以下公式完成各个摄像机的独立标定：



其中，表示平移变量矩阵，表示畸变变量矩阵，fx和fy表示偏移量参数，cx和cy表示横宽系数，rij和tk表示畸变系数，s表示变换参数，(u，v)表示像素点的成像坐标，(X，Y，Z)表示三维坐标。


4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于所述图像中标记的控制点，两两标定所述三目视觉系统中的各对摄像机包括：
计算所述控制点上的SIFT特征描述子，并使用Hamming距离两两匹配不同图像中的对应控制点，采用随机采样一致性过滤掉控制点之间的错误匹配，以建立两个摄像机之间的姿态关系；其中，所述控制点是图像中在某方面属性突出的像素点，是在某些属性上强度最大或者最小的孤立点、线段的终点。


5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，各对摄像机按照以下公式标定出左右摄像机坐标系之间的相对关系：
R＝R2R1-1
T＝T2-R2R1-1T1
其中，R和T分别为用于表征左右两个摄像机的相对关系的旋转矩阵和平移距阵，R1和T1分别为第一个摄像机经过独立标定得到的相对标定物的旋转矩阵和平移向量，R2和T2分别为第二个摄像机经过独立标定得到的相对标定物的旋转矩阵和平移向量。


6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，对完成两两标定的摄像机采用光束平差参数优化方法标定三目摄像机包括：
采用光束平差参数优化方法，对完成两两标定的三个摄像机的内部参数、外部参数和畸变参数同时优化，在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟东，阙波，王和平，姜文东，邹彪，周象贤，刘正军，
申请(专利权)人：国网通用航空有限公司，国网浙江省电力有限公司，国家电网有限公司，中国测绘科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11