双目视觉输电线震荡监测及三维重建方法技术

本申请将双目立体视觉引入输电线路震荡的监测，首先对双目立体视觉系统进行标定，得到内外参数为三维点重建做准备，解析拆分Harris和SIFT角点检测方法，并融合各自的优点，提出优化尺度空间SIFT链接融合角点检测法，基于对纯标量积关联MQS近似度的分析，进一步提出优化尺度空间SIFT链接融合角点检测法与MQS图像匹配结合的方法，匹配准确度和速度均比传统方法有显著的提高，提出的三维空间点的计算模型,计算出输电线路场景中间隔棒中心点的三维坐标，本申请提出的方法不受温度干扰、信号传输简单可靠、耗资相对较小，研制出自动预警的电网输电线监测系统，对三维空间点重建系统的实现效果较好，具有很高的工程应用价值。值。值。

【技术实现步骤摘要】
双目视觉输电线震荡监测及三维重建方法


[0001]本申请涉及一种输电线震荡监测及三维重建方法，特别涉及一种双目视觉输电线震荡监测及三维重建方法，属于输电线震荡监测


技术介绍

[0002]输电线路是大型电网的动脉，电力部门的效益和责任直接与其输送电能的持续性、稳定性及安全性有关。长期暴露在自然环境下的输电线，当自然环境比较恶劣，如昼夜温差大、大风、酸雨、雷电、冰冻等天气等情况下，部分输电线路会遭受到很大的危害，如杆塔的倾斜与倒塌、输电导线短路，绝缘子污闪等各种物理性和机械性破坏，以致整段或整个电力系统不正常运行或停止运行,这是因为输电线路不仅承受其自重、覆冰等静荷载，而且还要承受风产生的动荷载。
[0003]电力线在风诱发的振动中表现为三种形式:一是微风振动，频率3
‑
150Hz，振幅0.01
‑
1d，d为输电导线直径，发生于较低风速；二是震荡，频率0.08
‑
3Hz，振幅5
‑
300d，发生于较高风速；三是尾流诱发的振荡，频率0.15
‑
1OHz，振幅与发生的风速居中。其中由于自然灾害造成的输电线路震荡对电力系统的危害极大，输电线路震荡是在冬季，水平方向的风吹到因覆冰而变为非圆断面的输电输电导线时，产生一定的空气动力，诱发输电导线产生一种低频、大振幅的自激振动现象。中国1957至1994年,总共发生51次强度不同的输电导线震荡,总共波及161条输电导线，导致69根输电导线受损，断6根，线路短路跳闸119次以上。
[0004]鉴于输电线震荡对输电线路的危害极大,对输电线路震荡的监测及预警尤为重要。如果能够实时获得输电线路震荡特征点的位置、姿态与几何形状等三维信息,就可以对输电线路震荡进行分析和解释，以便更好的帮助技术人员检测识别输电线路特征点的运动轨迹,采取对应的措施来保障输电线路的安全。因此，当前迫切需要一种能够帮助技术人员识别输电线路的有效手段来减少各种输电线震荡损失，重建出输电线路中特征点的位置与实时变化等，完成对输电线路的分析与理解并做出正确判断,最终确定是否需要报警以及采取对应的措施预防危险的发生。
[0005]计算机视觉是利用单个或多个摄像机和计算机等相关设备来近似替代人眼和大脑对周围场景中的物体进行检测、识别、跟踪和表达等，然后经过对单张或多张图像处理，使得图像成为更方便人类观察和表达的图像。从而使得计算机可以像人一样视觉观察和分析外部周围场景。
[0006]双目立体视觉通过二维图像实现物体的三维重建是计算机视觉领域中的热点，其采用两台摄像机来模拟双眼观察周围场景物体，具体由位于不同位置的两台摄像机获取同一时刻或同一位置的目标二维图像，从而获得场景物体的三维坐标信息,然后根据三维坐标或者三维坐标的变化做出合理的分析判断。周围场景中物体的三维信息得到准确的恢复有利于检测识别出所需要的目标信息。因此,利用计算机双目立体视觉技术对输电线路震荡特征进行检测与识别，实现三维重建，可以分析输电线路震荡特征间隔棒的运动轨迹，实现提前预警，为电网等部门提供参考，从而避免或者减少自然灾害对输电线路及电力行业
造成的损失。
[0007]现有技术也有一些角点检测方法，但大体归类后发现，大部分方法所需时间相对长，从侧面反应出这些方法较复杂,同等阈值的情况下,得到的角点的个数相比较很少，不符合输电线震荡监测的需要,并且实时性比较差。还有一些方法不仅耗费的时间长，方法条件比较苛刻，需要从不同的尺度空间得到角点，而且同等阈值下得到了大量的点，其中有很多点都是无用的点，大量的点会给后续的匹配造成很大困难，现有技术缺少适用于输电线震荡监测的角点检测方法。
[0008]综上所述，现有技术的输电线震荡监测及三维重建方法还存在许多不足，本申请的难点和待解决的问题主要集中在以下方面：
[0009]第一，输电线震荡对输电线路的危害极大,对输电线路震荡的监测及预警尤为重要，现有技术还不能够准确实时获取输电线路震荡特征点的位置、姿态与几何形状等三维信息,无法实时对输电线路震荡进行分析和解释，给技术人员检测识别输电线路特征点的运动轨迹,采取对应的措施来保障输电线路的安全带来很大困难，当前迫切需要一种能够帮助技术人员识别输电线路的有效手段来减少各种输电线震荡损失，重建出输电线路中特征点的位置与实时变化等，完成对输电线路的分析与理解并做出正确判断,最终确定是否需要报警以及采取对应的措施预防危险的发生，本申请需要集中解决以上问题；
[0010]第二，输电线的震荡是威胁电网安全的重大隐患，现有技术的各种监测震荡的方法大多基于GPS定位法、光纤传感器法和加速度传感器法，这些方法存在容易受到温度干扰、信号传输复杂、耗资大等缺点，现有技术的角点检测方法大部分所需时间相对长，方法复杂,得到的角点的个数很少，不符合输电线震荡监测的需要,并且实时性比较差，还有一些方法不仅耗费的时间长，需要从不同的尺度空间得到角点，而且同等阈值下得到了大量的点，其中有很多点都是无用的点，给后续的匹配造成很大困难，现有技术缺少适用于输电线震荡监测的角点检测方法，基于智能化电网的提出和可视化监测技术的快速发展，把智能化震荡监测技术采用到输电线路的运行中，研制出自动预警的电网输电线监测系统，是一项极具应用价值的工作；
[0011]第三，现有技术SIFT角点检测方法会提取出很多图像极值点，并会在图像匹配过程中增大计算量，延长匹配时间，而且，SIFT角点检测方法是基于尺度不变的检测方法,检测出的特征点都是在对应的各尺度内的极值点,并不能保证所检测出的各个特征点在不同的尺度内都出现，即不一定能在匹配过程中得到正确的匹配点对；现有技术基于关联系数的近似度用于输电线震荡监测也不够完美，在精确度、鲁棒性等方面均存在较大不足，现有技术逐步对所有特征点进行相似度计算,需要耗费大量的时间代价获得较好的精度，会出现时间延误，带来一系列严重问题。

技术实现思路

[0012]输电线震荡对输电线路的危害极大,对输电线路震荡的监测及预警尤为重要，本申请提出的方法能够实时获得输电线路震荡特征点的位置、姿态与几何形状等三维信息,可以对输电线路震荡进行分析和解释，以便更好的帮助技术人员检测识别输电线路特征点的运动轨迹,采取对应的措施来保障输电线路的安全，利用双目立体视觉原理，通过双目相机标定、特征检测、特征匹配、三维重建等一系列方法实现对输电线路特征点间隔棒的三维
重建，从而为输电线震荡监测与预警提供重要的参考，能够帮助技术人员识别输电线路的有效手段来减少各种输电线震荡损失，重建出输电线路中特征点的位置与实时变化等，完成对输电线路的分析与理解并做出正确判断,最终确定是否需要报警以及采取对应的措施预防危险的发生。
[0013]为实现以上技术下效果，本申请所采用的技术方法如下：
[0014]双目视觉输电线震荡监测及三维重建方法，将双目立体视觉引入输电线路震荡的监测，首先对双目立体视觉系统进行标定，得到内外参数为三维点重建做准备，解析拆分Harris和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.双目视觉输电线震荡监测及三维重建方法，其特征在于，将双目立体视觉引入输电线路震荡的监测，首先对双目立体视觉系统进行标定，得到内外参数为三维点重建做准备，解析拆分Harris和SIFT角点检测方法，提出优化尺度空间SIFT链接融合角点检测法，基于对纯标量积关联MQS近似度的分析，进一步提出优化尺度空间SIFT链接融合角点检测法与MQS图像匹配结合的方法，最后根据双目立体视觉系统中提出的三维空间点的计算模型,计算出输电线路场景中间隔棒中心点的三维坐标；双目视觉输电线震荡监测及三维重建方法的具体方法步骤包括：一是摄像机标定，二是间隔棒角点检测与图像匹配，三是间隔棒中心点三维重建；对被测输电线的三维点进行重建,包括相机标定，得到重建所需参数外，求得左右相机获得的二维图像中兴趣点的二维图像坐标，这些点即为特征点，首先检测到这些特征点，本申请将间隔棒与输电导线的交点看作角点进行检测；双目视觉的图像匹配是在左右两摄像机提取出各自图像的角点特征后找到图像间的对应点，即己知一张图像中的某个特征点，并从另一张图像中获得与这个特征点相对应的匹配点,构建起这一空间点在不同图像平面上的投影及对应关系，达到空间上的一致，本申请创造性的提出优化尺度空间SIFT链接融合角点检测法与MQS图像匹配结合的方法对空间特征点进行检测与匹配。2.根据权利要求1所述的双目视觉输电线震荡监测及三维重建方法，其特征在于，优化尺度空间SIFT链接融合角点检测法与MQS图像匹配结合的方法：首先优化SIFT角点检测方法提取出初始的图像极值点,再链接融合Harris角点检测对SIFT方法所提取出的这些图像极值点进行二次检测，并将二次检测后的结果作为最终的图像特征点，减少特征点的数量，提高图像匹配的效率以及正确率，具体实现过程包括:第一步：通过DOG高斯差分算子构建图像的尺度空间H(x,y,a)，(x,y)为空间点图像坐标，表示图像像素的位置，a表示高斯函数的均方差；第二步：在DOG高斯差分金字塔中检测图像尺度空间中的所有局部极值点，并将检测到的图像极值点记作本申请改进角点检测方法中的初始特征点；第三步：针对SIFT角点检测方法所提取出的每一个初始特征点，计算其对应Harris角点检测算子的T值：J
x
为x方向上的梯度，J
y
为y方向上的梯度；第四步：在计算所有的初始特征点的T值后，将所有局部极值点的值按从大到小排列，并选取T值排列中的前M个极值点作为最终的特征点，本申请取M的值为初始特征点数的0.04倍。3.根据权利要求2所述的双目视觉输电线震荡监测及三维重建方法，其特征在于，基于对纯标量积关联MQS近似度的分析，引入关联系数，采用纯标量积关联的方法服图像亮度或者等级的变化；假设进行匹配的两幅图像的像素大小均为N
×
M，在图像J2中通过构建一个n*m的矩形搜索窗口进行搜寻图像J1中某一角点n1(v1,u1)在图像J2中相对应匹配点n2(v2,u2)，并对搜索
到的匹配点对进行关联计算，得到纯标量积关联图像匹配的定义如式(4
‑
21)所示：式中，(i,j)是两幅待匹配图像在各自图像J
k
(k＝1,2)中的像素坐标，是图像J
k
(k＝1,2)在点(v
k
，u
k
)(k＝1,2)处的像素平均值；MQS的值在大小正负1之间，即
‑
1≤MQS≤1，MQS的大小离1越近，则说明采集的两幅图像相似度高，假设MQS大小为1，则表明两幅采集的两幅图像一样，假设MQS大小为
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张艳琴，张学清，
申请(专利权)人：张艳琴，
类型：发明
国别省市：