CN105044800B - 一种基于光学观测的雷电定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学观测的雷电定位装置及方法，首先利用两台或多台摄像机对监测区域进行同步拍摄，当拍摄到雷电图像后，利用图像识别方法，识别并提取雷电通道图像，最后利用图像匹配和三角定位原理，计算出雷击点位置。本发明利用摄像机连续拍摄雷电监测区域实现雷电定位，可以对较小区域内的雷电实现较准确的定位，定位精度较时差法、定向法等常规雷电定位方法有大幅提高，该方法对摄像机拍摄帧率要求不高，处理速度快，可实现实时雷电定位。

Description

一种基于光学观测的雷电定位装置及方法

技术领域

本发明涉及雷电定位问题，特别涉及一种基于光学观测的雷电定位装置及方法。

背景技术

雷电是当今时代的一大公害，特别是对油库、航天发射中心、机场、景区等重点目标区域的安全构成很大威胁，每年都因雷灾造成重大损失。据统计，每年我国因雷击造成的经济损失达数亿元。雷击点位置的确定对于事故分析、雷电防护效果评估等都具有重要意义。目前雷击点定位常用的方法为时差法、定向法或时差定向综合法等，可以对大范围的雷电进行定位，国内已布设覆盖全国范围的雷电定位网，但现有的雷电定位网存在定位精度低的问题，往往定位误差超过1km，无法满足重要目标区域的雷电定位要求。此外，目前还有利用VHF宽带干涉雷电通道定位技术，该技术可获取雷电通道位置，但该方法进行定位时，对数据的采样率要求高，需处理的数据量大，很难实现实时雷电定位，业务观测工程化难度大。

光学观测是雷电观测的一个重要方面，常用的雷电光学观测有卫星雷电光学观测和雷电通道高速摄像光学观测，前者可监测大范围的雷电信息，后者关注雷电放电过程。

而且对于油库、航天发射中心等重要目标区域的小范围雷电定位，要求定位具有实时性和高精度，方便事故的分析和防护手段的效果评估。

发明内容：

本发明的目的在于：克服现有雷电定位方法定位精度低，难以保障小范围的重要目标区域的缺点，提供一种定位精度较高、具有较好实时处理能力、基于光学观测的雷电定位装置及方法，解决小区域高精度雷击点实时定位问题。

为达成上述发明目的之一，本发明的第一技术方案如下：一种基于光学观测的雷电定位装置，其包括：至少两台摄像机、用于支撑相应摄像机并允许摄像机有不同位姿状态的多个支撑架、与所述摄像机均电性相连并处理实时图像的定位处理机、以及向摄像机提供标定图像的标定板。

优选地，所述摄像机设置在有一定距离的同一基线上，并通过数据线与定位处理机相连，且该距离大于1米而小于10米。

优选地，所述摄像机和定位处理机可通过USB线或网线进行相连，且定位处理机为计算机或单片机，所述摄像机具体为具有与计算机实时通信的工业摄像机。

为达成上述发明目的之二，本发明的第二技术方案如下：一种基于光学观测的雷电定位方法，其特征在于其包括如下步骤：

S1)首先提供至少两台摄像机、用于支撑相应摄像机并允许摄像机有不同位姿状态的多个支撑架、与所述摄像机均电性相连并处理实时图像的定位处理机、以及向摄像机提供标定图像的标定板；

S2)将摄像机固定在支撑架上后，利用标定板标定出摄像机位姿参数，并将位姿参数装订到定位处理机；

S3)然后利用至少两台摄像机同步拍摄雷电，并获取雷电图像；

S4)将雷电图像反馈给定位处理机进行图像识别，提取雷电通道，并通过图像匹配获取不同摄像机图像中的同一雷电通道；

S5)最后利用双目或多目视觉定位原理获取雷电通道三维或雷击点二维坐标。

优选地，所述摄像机设置在具有一定距离的位置上，通过标定板获取摄像机的位姿参数，经标定的摄像机同步拍摄的视频图像发送到定位处理机，由定位处理机进行雷电定位。

优选地，所述步骤S4完成雷电图像帧提取、雷电通道识别、雷电通道图像匹配和定位计算子步骤，以给出雷电发生的位置，其步骤具体如下：

雷电图像帧提取子步骤：摄像机对监测区域进行连续拍摄，无雷电发生时，拍摄的区域内图像变化缓慢，雷电发生时，图像会发生突变；图像帧提取时，可设定连续帧之间变化阈值，当连续帧之间变化超过设定阈值时，开始记录后续图像帧至雷电通道消失；

雷电通道识别子步骤：利用雷电图像帧提取子步骤中记录的图像帧中进行雷电通道识别；

雷电通道图像匹配子步骤：利用两台或多台摄像机提供的雷电通道图像进行图像匹配，以其中一幅图像的闪电通道为基准，找出其余图像中对应的闪电通道；

定位计算子步骤：利用双目视觉定位原理对雷电通道识别子步骤中识别的雷电通道进行定位，获取雷击点。

优选地，所述摄像机拍摄帧率大于20帧/秒。

本发明的优点在于：本发明能够实时完成监测区域的雷电定位，定位精度较目前的雷电定位方法有大幅提高，可用于有雷电点精确定位需要的场合，可进行约20km范围内雷电的定位。

附图说明

图1是本发明中拍摄雷电通道的结构示意图。

图2是本发明中拍摄标定板的结构示意图。

图3是本发明的功能方块图。

图4是本发明的雷电定位流程框图。

具体实施方法：

实施例：如图1-4所示，本发明提供一种基于光学观测的雷电定位装置的实施例，其包括：至少两台摄像机、用于支撑相应摄像机并允许摄像机有不同位姿状态的多个支撑架、与所述摄像机均电性相连并处理实时图像的定位处理机、以及向摄像机提供标定图像的标定板。摄像机和定位处理机在同一基线上。摄像机和定位处理机通过USB线或网线等数据线进行相连，且定位处理机为计算机或单片机，所述摄像机为具有与计算机实时通信的工业摄像机。本实施例具体以双目定位进行说明，来实现本发明目的。摄像机能与定位处理机实时传输图像数据，将两台摄像机分布安装在支撑架上，按一定距离架设，摄像机镜头朝向监测区域，将两台摄像机分别通过数据线与定位处理机相连。

将上述元件安装完毕后，本发明还提供一种基于光学观测的雷电定位方法的实施例，具体步骤如下：

步骤1：进行摄像机双目标定，将摄像机镜头焦距设置为最远状态，将标定板放置在两台摄像机视野范围内并调整不同姿态，两台摄像机同时拍不同姿态下的摄标定板图像，利用同时拍摄的多张标定板图像，标定出摄像机的内参数(摄像机固有参数)和外参数(相对位姿)。

步骤2：雷电图像帧的获取，对雷电监测区域进行连续拍摄，利用连续图像的差异性进行雷电图像帧获取，具体获取方法为：设定图像差异阈值(根据摄像机对闪电图像的敏感度确定，可采用灰度阈值)，对比连续两张图像的差异，如果超过设定阈值，认为有雷电发生，开始连续记录存储1～2s(雷电的持续时间在此范围内)内图像帧，无雷电图像可不存储。

步骤3：雷电通道识别，利用雷电通道特征，即可采用灰度特征和尺度特征，将雷电图像进行灰度阈值处理，由于雷电通道的亮度高，将亮度低于阈值的图像区域滤除，可找出保护雷电通道的高亮度区域，又由于夜间灯光也可形成高亮度区域，但这类区域与雷电通道相比尺度很小，可利用尺度特征阈值将其滤除；再进行设置雷电通道识别参数，在图像背景中识别雷电通道，当两台摄像机都拍摄到同一雷电通道时，进行两台摄像机的雷电通道的匹配，具体匹配方法为：以其中一幅图像的雷电通道为基准，在另一台摄像机提供的图像中找出相应的闪电通道。

步骤4：雷电通道定位，对两幅雷电通道图像进行匹配后，通过计算两幅图像的对应点位置差，即可得到特征点的视差，利用时差和双目视觉定位原理对步骤3中识别的雷电通道进行定位，获取雷电通道三维坐标，其中双目视觉定位原理可参考如下文献：

[1]王思丽，戴玉刚、周登，等；基于双目视觉的数码相机定位方法研究，长春工程学院学报(自然科学版)2009，10(2)：104-107.

[2]刘晶晶，基于双目立体视觉的三维定位技术研究，华中科技大学硕士学位论文，2007.

本发明是基于机器视觉技术进行雷电定位，能够快速准确地实时获取小区域内的雷电通道或雷击点位置，其定位精度较目前常规雷电定位方法有大幅提高。而机器视觉技术在工业上应用广泛，其应用之一为目标定位，通过摄像机获取测量目标图像，经图像匹配、双目(多目)定位算法处理，可获取目标的三维坐标，具有实时性、精度高的特点。

本发明可用于：城市雷电定位、航空航天基地的雷电定位、石油化工园区雷电定位、油田和储油罐区雷电定位、重要军事设施区域雷电定位和旅游风景区等小区域的雷电定位。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于光学观测的雷电定位方法，其特征在于其包括如下步骤：

S1)首先提供至少两台摄像机、用于支撑相应摄像机并允许摄像机有不同位姿状态的多个支撑架、与所述摄像机均电性相连并处理实时图像的定位处理机、以及向摄像机提供标定图像的标定板；

S2)将摄像机固定在支撑架上后，利用标定板标定出摄像机位姿参数，并将位姿参数装订到定位处理机；

S3)然后利用至少两台摄像机同步拍摄雷电，并获取雷电图像；

S4)将雷电图像反馈给定位处理机进行图像识别，提取雷电通道，并通过图像匹配获取不同摄像机图像中的同一雷电通道；

S5)最后利用双目或多目视觉定位原理获取雷电通道三维或雷击点二维坐标；

其中所述步骤S4完成雷电图像帧提取、雷电通道识别、雷电通道图像匹配和定位计算子步骤，以给出雷电发生的位置，其步骤具体如下：

雷电图像帧提取子步骤：摄像机对监测区域进行连续拍摄，无雷电发生时，拍摄的区域内图像变化缓慢，雷电发生时，图像会发生突变；图像帧提取时，可设定连续帧之间变化阈值，当连续帧之间变化超过设定阈值时，开始记录后续图像帧至雷电通道消失；

雷电通道识别子步骤：利用雷电图像帧提取子步骤中记录的图像帧进行雷电通道识别；

雷电通道图像匹配子步骤：利用两台或多台摄像机提供的雷电通道图像进行图像匹配，以其中一幅图像的闪电通道为基准，找出其余图像中对应的闪电通道；

定位计算子步骤：利用双目视觉定位原理对雷电通道识别子步骤中识别的雷电通道进行定位，获取雷击点。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学观测的雷电定位方法，其特征在于，所述摄像机设置在具有一定距离的位置上，通过标定板获取摄像机的位姿参数，经标定的摄像机同步拍摄的视频图像发送到定位处理机，由定位处理机进行雷电定位。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光学观测的雷电定位方法，其特征在于，所述摄像机拍摄帧率大于20帧/秒。