CN112815911B - 基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法 - Google Patents

基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法 Download PDF

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CN112815911B CN202011615849.1A CN202011615849A CN112815911B CN 112815911 B CN112815911 B CN 112815911B CN 202011615849 A CN202011615849 A CN 202011615849A CN 112815911 B CN112815911 B CN 112815911B
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Abstract

本发明公开了一种基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，输电线路交跨距离测量方法的步骤包括：利用三目相机采集三目图像，并进行协同校正；基于线特征拟合和极线约束重建电力线的三维向量；最后利用铅垂线跟踪算法确定交跨点，并基于空间几何关系计算相应的交跨距离。本发明提供了一种方便、准确的输电线交跨距离测量方法，解决了传统人工巡检方法耗时耗力的问题，具有较高的工程应用价值。

Description

基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法
技术领域
本发明涉及一种基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，属于计算机视觉与输电线路巡检领域。
技术背景
国家对输电线路自身及周围地物之间的距离是有明确要求和标准的。国家电网有限公司近年来公布的运行数据表明，由于输电线路与被跨物间如竹木生长、地形地貌变化、大型施工机械等外部因素的净空距离过小(以下称交跨距离)导致线路跳闸率居高不下，给国民安全以及国民经济带来巨大的损失。所以，有必要定期对输电线的交跨距离进行检测，确保电力线下方一定范围内无危险交跨物。
目前，输电线路与下方被跨越物的交跨距离测量的方式主要包括人工目测、绳测、经纬仪和全站仪等，并且不同方式之间缺乏统一、客观的作业规范。除此之外，人工测量方式不仅依赖于巡检人员的状态和经验，而且检测效率与准确率都比较低。随着电网规模增大，人工测量方式已经无法满足电力线巡检的覆盖面与即时性要求，亟需一种有效的智能化手段代替人工测量方式。但目前有效、简单易行的智能化输电线路交跨区距离测量方式并不多。因此一种测量精度高，稳定性能好的输电线路交跨距离测量方法对测绘领域具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提出一种输电线路交跨距离测量方法，实现对输电线路与下方交跨区域距离的准确测量，降低测绘人员工作强度与危险系数，提高工作效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，通过设计交互式测距软件，自动测量输电线路交跨距离，具体包括以下步骤：
1)利用三目相机拍摄目标输电线路图像，获得三目图像以及相机拍摄时的俯仰角和滚转角；
2)对三目图像进行协同校正；
3)基于相机姿态确定用于电力线匹配的双目图像，定义为
Figure BDA0002871985050000021
并提取与拟合双目图像
Figure BDA0002871985050000022
中所有的电力线；根据极线约束重建电力线的三维向量；
4)在校正后的左目图像中的电力线上任意选择一个点作为目标点
Figure BDA0002871985050000023
根据空间几何关系确定目标点Pk在左目图像中对应的铅垂线；并利用铅垂线轨迹法得到目标点Pk在校正后的左目图像中对应可能的交跨点集合
Figure BDA0002871985050000024
Figure BDA0002871985050000025
为交跨点集合Kk中第a个交跨点
Figure BDA0002871985050000026
在校正后的左目图像中的坐标；
5)在右目图像中寻找所述交跨点集合Kk中所有点对应的匹配点，得到匹配点集合
Figure BDA0002871985050000027
并计算交跨点对应的视差
Figure BDA0002871985050000028
其中
Figure BDA0002871985050000029
6)根据空间先验知识从交跨点集合Kk中确定电力线上任一点
Figure BDA00028719850500000210
的真正交跨点，并计算对应的交跨距离；
7)重复步骤4-6，得到电力线上所有点的交跨距离。
一种基于三目视觉的输电线路交跨距离测量系统，包括以下程序模块：
图像获取模块：利用三目相机拍摄目标输电线路图像，获得三目图像以及相机拍摄时的俯仰角和滚转角；
校正模块：对三目图像进行协同校正；
电力线提取模块：基于相机姿态确定电力线匹配对，并提取与拟合线匹配对中所有的电力线；根据极线约束重建电力线的三维向量；
交跨点模块：在校正后的左目图像中的电力线上任意选择一个点作为目标点
Figure BDA0002871985050000031
根据空间几何关系确定目标点Pk在左目图像中对应的铅垂线；并利用铅垂线轨迹法得到目标点Pk在校正后的左目图像中对应可能的交跨点集合
Figure BDA0002871985050000032
Figure BDA0002871985050000033
为交跨点集合Kk中第a个交跨点
Figure BDA0002871985050000034
在校正后的左目图像中的坐标；
匹配点模块：在右目图像中寻找所述交跨点集合Kk中所有点对应的匹配点，得到匹配点集合
Figure BDA0002871985050000035
并计算交跨点对应的视差
Figure BDA0002871985050000036
其中
Figure BDA0002871985050000037
交跨距离计算模块：根据空间先验知识从交跨点集合Kk中确定电力线上任一点
Figure BDA0002871985050000038
的真正交跨点，并计算对应的交跨距离。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提出将三目视觉应用在输电线立体匹配中，通过三目图像提供水平和竖直两个方向的视差信息，能大幅度提高在不同的相机姿态下电力线匹配的准确性和稳定性；
(2)本发明将空间先验知识应用在输电线路交跨距离测距中，根据先验信息，推导出不同相机姿态的几何模型，用于确定在相机姿态下快速、有效的定位交跨点。该方法适用于多种航拍拍摄姿态，降低了无人机检测过程的操作难度；
(3)本发明采用铅垂线跟踪算法代替二维平面搜索法，加快了不同摄像机姿态下交跨距离的计算。同时通过设计交互式测距软件，自动测量输电线路交跨距离，极大地方便了巡检工作人员，减少其工作量，提高巡检效率，具有较高的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明具体实施例基于三目视觉与空间先验知识的输电线路交跨距离测量算法流程图；
图2为本发明具体实施例三目相机模型示意图；
图3为本发明具体实施例不同相机姿态的几何模型，其中(a)为BPS的几何模型，(b)为BTS的几何模型；(c)为OS的几何模型；(d)为MX的几何模型；
图4为本发明具体实施例不同相机姿态下铅垂线定位示意图，其中(a)为在BPS姿态下；(b)在BTS姿态下；(c)为在OS姿态下；
图5为本发明具体实施例双目相机的三角视差原理图；
图6为本发明具体实施例交互式测距界面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的方案作进一步的详细说明。
实施例1
本发明的基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法如图1所述，具体包括以下步骤：
1)图2为三目相机模型示意图，由三个规格相同的摄像机组成的垂直双基线三目相机模块1和水平仪2构成，垂直双基线三目相机模块包括左目相机、右目相机和上目相机，左目相机与右目相机水平设置，上目相机在左目相机的正上方，垂直双基线三目相机模块的下方连接有水平仪。首先利用三目相机拍摄目标输电线路图像，并将获取的三目图像信息{Ileft,Iright,Iup}以及摄像机拍摄时的俯仰角θx和滚转角θz传入信息模块进行处理；
2)基于三目相机标定参数对三目图像{Ileft,Iright,Iup}进行协同校正，得到校正后的三目图像{I1,I2,I3}，I1、I2、I3分别指经过校正处理后的左目图像、右目图像和上目图像，校正后左目图像、右目图像I1、I2的极线与I1、I2图像横轴平行，校正后左目图像、上目图像I1、I3的极线平行于I1、I3图像纵轴且校正后左目图像、右目图像I1、I2的横向视差与校正后左目图像、上目图像I1、I3的纵向视差相等，具体步骤如下：
21)根据张氏标定法获得三目相机的标定参数，利用Bouguet算对获得的左目图像与右目图像信息{Ileft,Iright}进行初次水平校正，校正后得到行对准图像{I'left,I'right}，且I'left＝Ileft，具体步骤如下：
a.利用Bouguet算法获得左目相机的整体旋转矩阵Rl、右目相机的整体旋转矩阵Rr；
b左目图像保持不变，右目图像围绕着右摄像机的光心旋转，旋转矩阵为
Figure BDA0002871985050000051
旋转后得到行对准图像{I'left,I'right}，且I'left＝Ileft。
22)重复步骤21)对图像信息{Ileft,Iup}进行校正，得到左目相机的整体旋转矩阵Rl2和上目相机的整体旋转矩阵Ru，将上目图像围绕着上目摄像机的光心旋转，旋转矩阵为
Figure BDA0002871985050000052
得到列准图像{I'l'eft,I'up}，且I'l'eft＝Ileft；
23)初次校正后得到三目图像{Ileft,I'right,I'up}，利用SURF算法获取三目图像特征点对初次校正结果进行优化得到三目图像{I1,I2,I3}，
{I1,I2,I3}分别指经过校正后的左目图像、右目图像、上目图像，其中校正后左目图像I1、右目图像I2的极线与左目图像I1、右目图像I2横轴平行，校正后的左目图像I1、上目图像I3的极线与左目图像I1，上目图像I3纵轴平行，且左目图像I1、右目图像I2的横向视差与左目图像I1、上目图像I3的纵向视差相等，具体步骤如下：
a.利用SURF算法获取校正后的三目图像{Ileft,I'right,I'up}特征点坐标
Figure BDA0002871985050000061
其中匹配点的数目为n，
Figure BDA0002871985050000062
为左目图像Ileft中特征点坐标，
Figure BDA0002871985050000063
为右目对准图像I'right中特征点坐标；
Figure BDA0002871985050000064
为上目对准图像I'up中特征点坐标；
b.设顶摄像机的主点坐标为(cx,cy)，平移顶摄像机，在主点坐标(cx,cy)上附加一个偏移量(dx,dy)，可完成顶摄像机的二次校正；对于横向偏移，由于校正后应使得左目图像Ileft、上目对准图像I'up的对应点的横坐标相等，因此
Figure BDA0002871985050000065
对于纵向偏移，由于校正后Ileft、I'up之间的纵向视差应与Ileft、I'right的横向视差相等，因此
Figure BDA0002871985050000066
c.以(cx+dx,cy+dy)作为新的主点坐标，重复步骤21)重新对顶摄像机进行校正得到最终的校正后的三目图像{I1,I2,I3}，其中I1为校正后的左目图像，I2为校正后的右目图像，I3为校正后的上目图像；
3)基于三目视觉的电力线三维重构，具体步骤如下：
31)根据摄像机的拍摄角度确定用于电力线匹配的双目图像，定义为
Figure BDA0002871985050000067
如果滚转角
Figure BDA0002871985050000068
以上目图像和左目图像作为用于电力线匹配的双目图像，即
Figure BDA0002871985050000069
如果滚转角
Figure BDA00028719850500000610
以右目图像和左目图像作为用于电力线匹配的双目图像，即
Figure BDA00028719850500000611
Figure BDA00028719850500000612
32)基于航拍图像中电力线的特征提取双目图像Matchl中的所有电力线，当电力线为
Figure BDA0002871985050000071
时，提取的具体步骤如下：
a.对校正后的左目图像进行预处理并获取边缘图Iedge，边缘图Iedge中背景灰度值为0，输电线的灰度值为255；
b.在边缘图Iedge的基础上，通过矢量跟踪算法，将边缘图Iedge中的边缘片段变换为二维矢量，并删除边缘图Iedge中小于设定数量(如20个)像素点的边缘片段得到二维矢量集一V1，V1＝{v1,v2,...,vi,...,vn1}，其中n1为二维矢量集V1中二维矢量的个数，vi表示某个第i个二维矢量，vi包括m个灰度值为255的像素点，表示为vi＝{(x1,y1),(x2,y2),...,(xm,ym)}；
c.按照公式(1)计算二维矢量集V1中剩余特征的形状因子SI，删除形状因子SI大于设定值(如0.27)的过弯曲的二维矢量，得到二维矢量集二V2，V2＝{v'1,v'2,...v'i,...,v'n2},V2∈V1，其中n2为二维矢量集二V2中二维矢量的个数；
Figure BDA0002871985050000072
其中，
Figure BDA0002871985050000073
Figure BDA0002871985050000074
表示该二维矢量中的第m1个坐标，即
Figure BDA0002871985050000075
Figure BDA0002871985050000076
表示该二维矢量中的第m2个坐标，即
Figure BDA0002871985050000077
d.根据线段投影法聚合线特征对二维矢量集二V2进行聚合，如果两条线段共线，则进行连接得到聚合后的图像二维矢量集三V3，V3＝{v″1,v″2,...,v″i,...,v″N},V3∈V2，其中N表示二维矢量集三V3中二维矢量的个数，也表示检测到的输电线的数量，v″i＝{(x1,y1),(x2,y2)，...,(xt,yt)}表示第i条输电线二维矢量，(xt,yt)为v″i中的第t个像素点的坐标；
e.对二维矢量集三V3中所有的输电线二维矢量v″i进行迭代处理得到单像素宽度的输电线二维矢量
Figure BDA0002871985050000081
Figure BDA0002871985050000082
所有的输电线二维矢量v″i迭代处理后得到的输电线矢量集合为二维矢量集四V4；
f.假设二维矢量
Figure BDA0002871985050000083
的拟合方程为
Figure BDA0002871985050000084
表示拟合参数，r表示拟合多项式的极数，根据最小二乘法对
Figure BDA0002871985050000085
进行拟合，基于二维矢量
Figure BDA0002871985050000086
中的像素点的坐标(x1,y1),(x2,y2)...,(xt,yt)确定拟合参数ak(k＝0,1,...,r)，则左目图像
Figure BDA0002871985050000087
中，由二维矢量
Figure BDA0002871985050000088
确定的电力线方程表示为
Figure BDA0002871985050000089
对输电线二维矢量集四V4中的所有二维矢量进行拟合得到左目图像
Figure BDA00028719850500000810
中的所有电力线方程为
Figure BDA00028719850500000811
N表示电力线的数量；按照拟合电力线的参数a0的大小从小到大对电力线进行排序，则左目图像
Figure BDA00028719850500000812
中所有电力线由
Figure BDA00028719850500000813
表示，其中j表示排序的序列号，
Figure BDA00028719850500000814
表示第j条电力线；
Figure BDA00028719850500000815
表示第j条电力线；
33)重复步骤31)提取与拟合
Figure BDA00028719850500000816
中的电力线得到
Figure BDA00028719850500000817
N1，N2分别表示
Figure BDA00028719850500000818
的电力线的数目，具有相同的数目j，数目s对应的电力线为同名电力线；基于极线约束(极限约束是双目视觉立体匹配的基础几何原理)，计算同名核线与同名电力线的交点得到电力线上的同名像点对
Figure BDA00028719850500000819
此时j＝s，
Figure BDA00028719850500000820
分别表示
Figure BDA00028719850500000821
中第j条电力线上的某个像素点坐标，同名像点对对应的视差值为
Figure BDA00028719850500000822
4.基于空间几何关系确定在不同的相机姿态下校正后的左目图像I1中某条电力线上的一点
Figure BDA0002871985050000091
的铅垂线方程，并利用铅垂线轨迹法获得点Pk在校正后的左目图像I1中对应的可能交跨点集合
Figure BDA0002871985050000092
Figure BDA0002871985050000093
为Kk中第a个交跨点在I1中的坐标，
Figure BDA0002871985050000094
为可能交跨点集合内某一点的坐标，具体步骤如下:
41)确定不同相机姿态下的铅垂线。本发明考虑了四种不同的相机姿态，包括基线平行拍摄姿态(BPS)，基线倾斜拍摄姿态(BTS)，俯视拍摄姿态(OS)和混合姿态(MX)。
规定世界坐标系为OW-XWYWZW，在BPS下，俯仰角θx＝0，滚转角θz＝0，左目相机坐标系为Ol-XCYCZC，OW-XWYWZW与Ol-XCYCZC重合；
在BTS下，俯仰角θx＝0，滚转角θz≠0；在OS下，俯仰角θx≠0，滚转角θz＝0；
在MX下，俯仰角θx≠0，滚转角θz≠0，各种姿态的几何模型如图3所示，三维世界中铅垂线总是垂直于地面，但是在成像平面上P对应的铅垂线随着相机姿态而变化，不同的相机姿态下铅锤线的示意图如图4所示，O为相机的光心，f为焦距，A1A2表示成像平面，它垂直于地面，假设
Figure BDA0002871985050000095
在同一条铅垂线上，
Figure BDA0002871985050000096
Figure BDA0002871985050000097
是P1P2在左目成像平面中的投影，像素坐标系为o-uv，v轴垂直于地面；由图5可知在不同的姿态下，像素坐标系下P对应的铅垂线的计算步骤为：
a.俯仰角当θx＝0，滚转角θz＝0时，如图4(a)所示，相机成像平面垂直于地面，由于ΔOP1P2与ΔOQ1Q2相似，所以Q1Q2平行于P1P2并垂直于u轴，因此BPS中图像中任意一点对应的的铅锤线垂直于u轴，则过点P的铅垂线方程为
Figure BDA0002871985050000101
b.当相机倾斜拍摄时，即俯仰角θx＝0，滚转角θz≠0，如图4(b)所示，相机成像平面仍垂直于地面，此时像素坐标系为o-u'v'，v'与v的夹角为滚转角θz，相当于像素坐标o-uv旋转了θz，在坐标系o-u'v'下，Q1Q2与v'的夹角为滚转角θz，意铅垂线与u轴的夹角为
Figure BDA0002871985050000102
因此点P对应的铅垂线方程为
Figure BDA0002871985050000103
c.当相机俯视拍摄时，即θx≠0，θz＝0，如图4(c)所示，相机成像平面与地面的夹角为
Figure BDA0002871985050000104
像素坐标系为o-u'v'，u'轴与u轴的夹角为θx，无法通过单目相机的成像几何关系确定铅锤线方程。由于
Figure BDA0002871985050000105
在同一条铅垂线上，对应的投影点分别为
Figure BDA0002871985050000106
根据双目视觉的成像几何原理，在规定的世界坐标系OW-XWYWZW中P1与P2对应的坐标差值关系为:
Figure BDA0002871985050000107
其中差值
Figure BDA0002871985050000108
差值
Figure BDA0002871985050000109
d1，d2分别为Q1，Q1的视差，f为相机的焦距，b为左右双目相机的基线距离，左目图像的主点坐标为c(u0,v0)。
设
Figure BDA00028719850500001010
对应的直线方程为y＝mq·x+nq，则
Figure BDA00028719850500001011
Figure BDA00028719850500001012
mq与nq均为直线参数，可以得到关于mq的公式：
Figure BDA0002871985050000111
f为相机的焦距，(u0,v0)为左目图像的主点坐标；
由于俯拍时mq·u0+mq＞v0，所以可以求解出mq和nq，则Q1Q2的直线方程为：
Figure BDA0002871985050000112
f为相机的焦距，b为左右双目相机的基线距离，左目图像的主点坐标为c(u0,v0)。根据公式(4)，可以知道
Figure BDA0002871985050000113
因此当
Figure BDA0002871985050000114
时，铅垂线方程为
Figure BDA0002871985050000115
所以OS姿态下任意一点的铅锤线与图像横轴的夹角为
Figure BDA0002871985050000116
d.OS姿态下铅垂线与u'的夹角为
Figure BDA0002871985050000117
当θx≠0，θz≠0时，像素坐标系为o-u”v”，此时相当于o-u'v'旋转θz得到新的坐标系o-u”v”，所以此时铅垂线与u”轴的夹角为φ＝ψ+θz，在新的像素坐标系o-u”v”下，即MX姿态对应的铅垂线方程为：
Figure BDA0002871985050000118
42)根据步骤41)的铅垂线轨迹法获得Pk对应的可能交跨点集合
Figure BDA0002871985050000119
具体步骤为：
a.利用OSTU算法对左目校正图像I1二值化得到天空背景灰度值为0，电力线以及地物目标灰度值为255的二值图像Iostu，二值化后地物目标与天空等背景具有明显的分界线；
b.根据步骤41)确定Pk点对应的铅垂线方程，从Pk点沿铅垂线方程开始往图像Iostu的纵轴方向遍历，假设Mi(x,y)为当前像素坐标，当连续5个像素点对应的灰度值为255时，即Mi-4(x,y)＝...＝Mi-1(x,y)＝Mi(x,y)，判断该点Mi(x,y)为地物目标，记录该像素点Mi(x,y)作为可能的交跨点集合的起始点，即
Figure BDA0002871985050000121
继续按该方向遍历图像Iostu并记录铅垂线上所有的点直到图像边界得到Pk对应的交跨点集合
Figure BDA0002871985050000122
5.对于电力线下方交跨区域的立体匹配，左右目图像更具有优势，交跨点分布在电力线下方，因此以左目图像、上目图像构成的双目图像中的一些交跨点可能不在公共的视野范围内，而左右双目图像能提供更大的交跨点搜索区域，因此，在确定交跨点时，采用{I1,I2}作为匹配对象，此时在校正后的右目图像I2中寻找
Figure BDA0002871985050000123
对应的匹配点，并计算Kk中所有点对应的视差为
Figure BDA0002871985050000124
本发明基于AD-Census构造匹配代价函数C(p,d)，如公式(6)所示，并构建十字交叉自适应窗口进行代价聚合得到对应的匹配点，
Figure BDA0002871985050000125
其中，函数ρ(C,λ)用于控制每个变换结果的取值范围为[0,1]，λCensus，λAD分别为Census、AD变换的影响参数，CCensus(p,d)为Census匹配代价函数，CAD(p,d)为AD匹配代价函数，C(p,d)为AD-Census的匹配代价函数，C，λ分别表示任意匹配方式的代价函数和相应的影响参数。
6.图3中，规定世界坐标系为OW-XWYWZW，左目相机坐标系为Ol-XCYCZC，OW-XWYWZW与Ol-XCYCZC重合，按顺序遍历
Figure BDA0002871985050000131
设点Kb为
Figure BDA0002871985050000132
的待确定交跨点，即Kb∈Kk，点Pk与点Kb在规定的世界坐标系中的坐标分别为
Figure BDA0002871985050000133
当点Pk与点Kb在世界坐标系OW-XWYWZW中的坐标差值满足
Figure BDA0002871985050000134
时，点Kb为点Pk的交跨点，考虑到立体匹配误差和角度测量误差等，通过对差值Δxw，差值Δzw设置阈值Tmin定位交跨点的位置，即当
Figure BDA0002871985050000135
时，可设定Tmin＝30mm，点Kb为点Pk的交跨点，此时交跨距离
Figure BDA0002871985050000136
具体步骤如下：
61)双目相机的三角测量原理如图5所示，左目相机坐标系为Ol-XCYCZC，右目相机坐标系为Or-XCYCZC，设相机的焦距为f，基线距为b，左目图像的主点坐标为c(u0,v0)，Kb为Pk的待确定交跨点，点Pk与点Kb的左目相机下的相机坐标分别为
Figure BDA0002871985050000137
像素坐标为
Figure BDA0002871985050000138
点Pk的视差可由步骤3)计算得到，设为dp；Kb的视差可由步骤5)计算得到，设为dkb；根据三角视差原理可以得到Pk点的相机坐标
Figure BDA0002871985050000139
与像素坐标
Figure BDA00028719850500001310
的转换关系为：
Figure BDA00028719850500001311
同理，点Kb的相机坐标
Figure BDA00028719850500001312
与像素坐标
Figure BDA00028719850500001313
的转换关系为：
Figure BDA0002871985050000141
62)根据公式(7-8)，可以得到在相机坐标系Ol-XCYCZC下点Pk与点Kb的坐标差值如公式(9)所示：
Figure BDA0002871985050000142
在BPS中，如3(a)所示，由于OW-XWYWZW与Ol-XCYCZC重合，所以
Figure BDA0002871985050000143
因此当
Figure BDA0002871985050000144
时，点Kb为Pk的交跨点，此时交跨距离D为
Figure BDA0002871985050000145
63)在BTS姿态下，如图3(b)所示，Ol-XCYCZC以ZC为旋转轴，旋转θz可得到新的相机坐标系Ol-X'CY'CZ'C，此时旋转矩阵为R(Z,θz)，又由于OW-XWYWZW与Ol-XCYCZC重合，则OW-XWYWZW与Ol-X'CY'CZ'C的坐标转换关系如公式(11)所示：
Figure BDA0002871985050000146
在相机坐标系Ol-X'CY'CZ'C下点Pk与点Kb的相机坐标可由公式(7-8)计算得到，则在世界坐标系OW-XWYWZW下点Pk与点Kb对应的世界坐标系中的坐标差值如公式(12)所示：
Figure BDA0002871985050000151
当
Figure BDA0002871985050000152
时，点Kb为点Pk的交跨点，此时交跨距离D为：
Figure BDA0002871985050000153
64)在OS姿态下，如图3(c)所示，Ol-XCYCZC以XC为旋转轴，旋转θx可得到坐标系OC-X”CY”CZ”C，此时旋转矩阵为R(X,θx)，又由于OW-XWYWZW与Ol-XCYCZC重合，则OW-XWYWZW与OC-X”CY”CZ”C的坐标转换关系如公式(14)所示：
Figure BDA0002871985050000154
与BTS相同，在相机坐标系OC-X”CY”CZ”C下点Pk与点Kb的相机坐标可由公式(7-8)计算得到，则在世界坐标系OW-XWYWZW下点Pk与点Kb对应的世界坐标系中的坐标差值如公式(15)所示：
Figure BDA0002871985050000155
当
Figure BDA0002871985050000156
时，点Kb为点Pk的交跨点，此时交跨距离D为：
Figure BDA0002871985050000161
65)如图3(c)所示，MX姿态是BTS与OS的混合姿态，相机坐标系为OC-X”'CY”'CZ”'C此时旋转矩阵为R＝R(Z,θz)·R(X,θx)，因此在MX姿态下的坐标转换关系为：
Figure BDA0002871985050000162
在相机坐标系OC-X”'CY”'CZ”'C下点P与点K的相机坐标可由公式(7-8)计算得到，则在世界坐标系OW-XWYWZW下点P与点K的坐标差值如公式(18)所示：
Figure BDA0002871985050000163
当
Figure BDA0002871985050000164
时，点Pk与点Kb的交跨点，此时交跨距离D为：
Figure BDA0002871985050000165
7.重复步骤4-6得到电力线上所有点的交跨点和对应的交跨距离。
一种基于三目视觉的输电线路交跨距离测量系统，包括以下程序模块：
图像获取模块：利用三目相机拍摄目标输电线路图像，获得三目图像以及相机拍摄时的俯仰角和滚转角；
校正模块：对三目图像进行协同校正；
电力线提取模块：基于相机姿态确定用于电力线匹配的双目图像，定义为
Figure BDA0002871985050000171
提取与拟合线
Figure BDA0002871985050000172
中所有的电力线；根据极线约束重建电力线的三维向量；
交跨点模块：在校正后的左目图像中的电力线上任意选择一个点作为目标
Figure BDA0002871985050000173
根据空间几何关系确定目标点Pk在左目图像中对应的铅垂线；并利用铅垂线轨迹法得到目标点Pk在校正后的左目图像中对应可能的交跨点集合
Figure BDA0002871985050000174
Figure BDA0002871985050000175
为交跨点集合Kk中第a个交跨点
Figure BDA0002871985050000176
在校正后的左目图像中的坐标；
匹配点模块：在右目图像中寻找所述交跨点集合Kk中所有点对应的匹配点，得到匹配点集合
Figure BDA0002871985050000177
并计算交跨点对应的视差
Figure BDA0002871985050000178
其中
Figure BDA0002871985050000179
交跨距离计算模块：根据空间先验知识从交跨点集合Kk中确定电力线上任一点
Figure BDA00028719850500001710
的真正交跨点，并计算对应的交跨距离。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)利用三目相机拍摄目标输电线路图像，获得三目图像以及相机拍摄时的俯仰角和滚转角；
2)对三目图像进行协同校正；
3)基于相机姿态确定用于电力线匹配的双目图像，定义为
Figure FDA0003283737490000011
并提取与拟合双目图像
Figure FDA0003283737490000012
中所有的电力线；根据极线约束重建电力线的三维向量；
4)在校正后的左目图像中的电力线上任意选择一个点作为目标点
Figure FDA0003283737490000013
根据空间几何关系确定目标点Pk在左目图像中对应的铅垂线；并利用铅垂线轨迹法得到目标点Pk在校正后的左目图像中对应可能的交跨点集合
Figure FDA0003283737490000014
其中
Figure FDA0003283737490000015
为交跨点集合Kk中第a个交跨点
Figure FDA0003283737490000016
在校正后的左目图像中的坐标；
5)在右目图像中寻找所述交跨点集合Kk中所有点对应的匹配点，得到匹配点集合
Figure FDA0003283737490000017
并计算交跨点对应的视差
Figure FDA0003283737490000018
其中
Figure FDA0003283737490000019
6)根据空间先验知识从交跨点集合Kk中确定电力线上任一点
Figure FDA00032837374900000110
的真正交跨点，并计算对应的交跨距离；
7)重复步骤4)-6)，得到电力线上所有点的交跨距离；
在步骤3)中，具体包括以下步骤：
31)根据摄像机的拍摄角度确定用于电力线匹配的双目图像，定义为
Figure FDA00032837374900000111
如果滚转角
Figure FDA00032837374900000112
以上目图像和左目图像作为用于电力线匹配的双目图像，即
Figure FDA00032837374900000113
如果滚转角
Figure FDA00032837374900000114
以右目图像和左目图像作为用于电力线匹配的双目图像，即
Figure FDA0003283737490000021
其中I1，I2，I3分别表示左目图像，右目图像和上目图像；
32)基于航拍图像中电力线的特征提取双目图像Matchl中的所有电力线；
33)重复步骤31)提取与拟合双目图像
Figure FDA0003283737490000022
中的电力线得到L1＝{l1j},j＝1,2,...,N1，L2＝{l2s},s＝1,2,...,N2，N1，N2分别表示双目图像
Figure FDA0003283737490000023
的电力线的数目，具有相同的数目j，数目s对应的电力线为同名电力线；基于极线约束，计算同名核线与同名电力线的交点得到电力线上的同名像点对
Figure FDA0003283737490000024
此时j＝s，
Figure FDA0003283737490000025
分别表示双目图像
Figure FDA0003283737490000026
中第j条电力线上的某个像素点坐标，同名像点对对应的视差值为
Figure FDA0003283737490000027
2.根据权利要求1所述的基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，其特征在于：在步骤2)中，具体步骤包括：
21)根据张氏标定法获得三目相机的标定参数，利用Bouguet算对获得的左目图像与右目图像信息{Ileft,Iright}进行初次水平校正，校正后得到行对准图像{I′left,I′right}，且I′left＝Ileft，具体步骤如下：
a.利用Bouguet算法获得左目相机的整体旋转矩阵Rl、右目相机的整体旋转矩阵Rr；
b.左目图像保持不变，右目图像围绕着右摄像机的光心旋转，旋转矩阵为
Figure FDA0003283737490000029
旋转后得到行对准图像{I′left,I′right}，且I′left＝Ileft；
22)重复步骤21)对图像信息{Ileft,Iup}进行校正，得到左目相机的整体旋转矩阵Rl2和上目相机的整体旋转矩阵Ru，将上目图像围绕上目摄像机的光心旋转，旋转矩阵为
Figure FDA0003283737490000028
得到列准图像{I″left,I′up}，且I″left＝Ileft；
23)初次校正后得到三目图像{Ileft,I′right,I′up}，利用SURF算法获取三目图像特征点对初次校正结果进行优化得到三目图像{I1,I2,I3}，I1、I2、I3分别指经过校正后的左目图像、右目图像、上目图像，其中校正后左目图像I1、右目图像I2的极线与左目图像I1、右目图像I2横轴平行，校正后的左目图像I1、上目图像I3的极线与左目图像I1，上目图像I3纵轴平行，且左目图像I1、右目图像I2的横向视差与左目图像I1、上目图像I3的纵向视差相等。
3.根据权利要求2所述的基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，其特征在于：在步骤23)中，具体步骤包括：
a.利用SURF算法获取校正后的三目图像{Ileft,I′right,I′up}特征点坐标
Figure FDA0003283737490000031
匹配点的数目为n，
Figure FDA0003283737490000032
为左目对准图像Ileft中特征点坐标集合，
Figure FDA0003283737490000033
为右目对准图像I′right中特征点坐标集合；
Figure FDA0003283737490000034
为上目对准图像I′up中特征点坐标集合；
b.设顶摄像机的主点坐标为(cx,cy)，平移顶摄像机，在主点坐标(cx,cy)上附加一个偏移量(dx,dy)，完成顶摄像机的二次校正；横向偏移
Figure FDA0003283737490000035
纵向偏移
Figure FDA0003283737490000036
c.以(cx+dx,cy+dy)作为新的主点坐标，重复步骤21)重新对顶摄像机进行校正得到最终的校正后的三目图像{I1,I2,I3}。
4.根据权利要求1所述的基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，其特征在于：在步骤32)中，当电力线为左目图像
Figure FDA0003283737490000037
时，提取的具体步骤如下：
a.对校正后的左目图像进行预处理并获取边缘图Iedge，边缘图Iedge中背景灰度值为0，输电线的灰度值为255；
b.在边缘图Iedge的基础上，通过矢量跟踪算法，将边缘图Iedge中的边缘片段变换为二维矢量，并删除边缘图Iedge中小于设定数量像素点的边缘片段得到二维矢量集一V1，V1＝{v1,v2,...,vi,...,vn1}，其中n1为二维矢量集V1中二维矢量的个数，vi表示某个第i个二维矢量，vi包括m个灰度值为255的像素点，表示为vi＝{(x1,y1),(x2,y2),...,(xm,ym)}；
c.按照公式(1)计算二维矢量集V1中剩余特征的形状因子SI，删除形状因子SI大于设定值的过弯曲的二维矢量，得到二维矢量集二V2，V2＝{v′1,v′2,...v′i,...,v′n2},V2∈V1，其中n2为二维矢量集二V2中二维矢量的个数；
Figure FDA0003283737490000041
其中，
Figure FDA00032837374900000415
Figure FDA00032837374900000416
表示该二维矢量中的第m1个坐标，即
Figure FDA0003283737490000042
Figure FDA00032837374900000417
表示该二维矢量中的第m2个坐标，即
Figure FDA0003283737490000043
d.根据线段投影法聚合线特征对二维矢量集二V2进行聚合，如果两条线段共线，则进行连接得到聚合后的图像二维矢量集三V3，V3＝{v″1,v″2,...,v″i,...,v″N},V3∈V2，其中N表示二维矢量集三V3中二维矢量的个数，也表示检测到的输电线的数量，v′i＝{(x1,y1),(x2,y2)，...,(xt,yt)}表示第i条输电线二维矢量，(xt,yt)为v″i中的第t个像素点的坐标；
e.对二维矢量集三V3中所有的输电线二维矢量vai进行迭代处理得到单像素宽度的输电线二维矢量
Figure FDA0003283737490000044
Figure FDA0003283737490000045
所有的输电线二维矢量v″i迭代处理后得到的输电线矢量集合为二维矢量集四V4；
f.假设二维矢量
Figure FDA0003283737490000046
的拟合方程为
Figure FDA0003283737490000047
表示拟合参数，r表示拟合多项式的极数，根据最小二乘法对
Figure FDA0003283737490000048
进行拟合，基于二维矢量
Figure FDA0003283737490000049
中的像素点的坐标(x1,y1),(x2,y2)...,(xt,yt)确定拟合参数ak(k＝0,1,...,r)，则左目图像
Figure FDA00032837374900000410
中，由二维矢量
Figure FDA00032837374900000411
确定的电力线方程表示为
Figure FDA00032837374900000412
对输电线二维矢量集四V4中的所有二维矢量进行拟合得到左目图像
Figure FDA00032837374900000413
中的所有电力线方程为
Figure FDA00032837374900000414
N表示电力线的数量；按照拟合电力线的参数a0的大小从小到大对电力线进行排序，则左目图像
Figure FDA0003283737490000051
中所有电力线由
Figure FDA0003283737490000052
表示，其中j表示排序的序列号，
Figure FDA0003283737490000053
表示第j条电力线。
5.根据权利要求3-4任一项所述的基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，其特征在于：在步骤4)中，基于空间几何关系确定在不同的相机姿态下校正后的左目图像I1中某条电力线上的一点
Figure FDA0003283737490000054
的铅垂线方程，并利用铅垂线轨迹法获得点Pk在校正后的左目图像I1中对应的可能交跨点集合
Figure FDA0003283737490000055
Figure FDA0003283737490000056
为Kk中第a个交跨点在I1中的坐标，
Figure FDA0003283737490000057
为可能交跨点集合内某一点的坐标，具体步骤如下:
41)确定不同相机姿态下的铅垂线；
42)根据步骤41)的铅垂线轨迹法获得点Pk对应的可能交跨点集合
Figure FDA0003283737490000058
6.根据权利要求5所述的基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，其特征在于：在步骤41)中，
规定世界坐标系为OW-XWYWZW，左目图像对应的像素坐标系下点
Figure FDA0003283737490000059
对应的铅垂线的计算步骤为：
a.当俯仰角θx＝0，滚转角θz＝0时，过点P的铅垂线方程为
Figure FDA00032837374900000510
b.当相机倾斜拍摄时，即俯仰角θx＝0，滚转角θz≠0，点P对应的铅垂线方程为
Figure FDA00032837374900000511
c.当相机俯视拍摄时，即俯仰角θx≠0，滚转角θz＝0，左目图像的主点坐标为c(u0,v0)；铅垂线方程为
Figure FDA00032837374900000512
OS姿态下任意一点的铅锤线与图像横轴的夹角为
Figure FDA00032837374900000513
d.MX姿态下，铅垂线与成像平面的横轴的夹角为φ＝ψ+θz，当相机的俯仰角θx≠0，滚转角θz≠0时，MX姿态对应的铅垂线方程为：
Figure FDA0003283737490000061
7.根据权利要求5所述的基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，其特征在于：在步骤42)中，具体步骤为：
a.利用OSTU算法对校正后的左目图像I1二值化得到天空背景灰度值为0，电力线以及地物目标灰度值为255的二值图像Iostu，二值化后地物目标与背景具有明显的分界线；
b.根据步骤41)确定Pk点对应的铅垂线方程，从Pk点沿铅垂线方程开始往二值图像Iostu的纵轴方向遍历，假设Mi(x,y)为当前像素坐标，当连续5个像素点对应的灰度值为255时，即Mi-4(x,y)＝...＝Mi-1(x,y)＝Mi(x,y)，判断该点Mi(x,y)为地物目标，记录该像素点Mi(x,y)作为可能的交跨点集合的起始点，即
Figure FDA0003283737490000062
继续按该方向遍历图像Iostu并记录铅垂线上所有的点直到图像边界得到Pk点对应的交跨点集合
Figure FDA0003283737490000063
所述前像素坐标Mi(x,y)满足公式(5)。
8.根据权利要求5所述的基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，其特征在于：在步骤5)中，基于AD-Census分别为交跨点集合Kk中所有点构造匹配代价函数C(p,d)，并构建十字交叉自适应窗口进行代价聚合得到在右目图像中对应的匹配点集合Qk，匹配代价函数C(p,d)为：
Figure FDA0003283737490000064
其中，函数ρ(C,λ)用于控制每个变换结果，取值范围为[0,1]；
λCensus、λAD分别为Census、AD变换的影响参数；CCensus(p,d)为Census匹配代价函数；CAD(p,d)为AD匹配代价函数；C(p,d)为AD-Census的匹配代价函数；C、λ分别表示任意匹配方式的代价函数和相应的影响参数。
9.根据权利要求6所述的基于三目视觉的输电线路交跨距离测量方法，其特征在于：在步骤6)中，具体步骤如下：
61)左目相机坐标系为Ol-XCYCZC，右目相机坐标系为Or-XCYCZC，左目图像的主点坐标为c(u0,v0)，Kb为Pk点的待确定交跨点，点Pk与点Kb的左目相机下的相机坐标分别为
Figure FDA0003283737490000071
像素坐标为
Figure FDA0003283737490000072
Pk点的视差由步骤3)计算得到，设为dp；点Kb的视差由步骤5)计算得到，设为dkb；根据三角视差原理得到Pk点的相机坐标
Figure FDA0003283737490000073
与像素坐标
Figure FDA0003283737490000074
的转换关系为：
Figure FDA0003283737490000075
同理，点Kb的相机坐标
Figure FDA0003283737490000076
与像素坐标
Figure FDA0003283737490000077
的转换关系为：
Figure FDA0003283737490000078
62)根据公式(7)-(8)，得到在相机坐标系Ol-XCYCZC下点Pk与点Kb的坐标差值如公式(9)所示：
Figure FDA0003283737490000079
在BPS中，由于OW-XWYWZW与Ol-XCYCZC重合，所以
Figure FDA0003283737490000081
因此当
Figure FDA0003283737490000082
时，点Kb为Pk点的交跨点，此时交跨距离D为
Figure FDA0003283737490000083
63)在BTS姿态下，Ol-XCYCZC以ZC为旋转轴，旋转θz得到新的相机坐标系Ol-X′CY′CZ′C，此时旋转矩阵为R(Z,θz)，又由于OW-XWYWZW与Ol-XCYCZC重合，则OW-XWYWZW与Ol-X′CY′CZ′C的坐标转换关系如公式(11)所示：
Figure FDA0003283737490000084
在相机坐标系Ol-X′CY′CZ′C下点Pk与点Kb的相机坐标由公式(7)-(8)计算得到，则在世界坐标系OW-XWYWZW下点Pk与点Kb对应的世界坐标系中的坐标差值如公式(12)所示：
Figure FDA0003283737490000085
当
Figure FDA0003283737490000086
时，点Kb为点Pk的交跨点，此时交跨距离D为：
Figure FDA0003283737490000087
64)在OS姿态下，Ol-XCYCZC以XC为旋转轴，旋转θx得到坐标系OC-X″CY″CZ″C，此时旋转矩阵为R(X,θx)，又由于OW-XWYWZW与Ol-XCYCZC重合，则OW-XWYWZW与OC-X″CY″CZ″C的坐标转换关系如公式(14)所示：
Figure FDA0003283737490000091
与BTS相同，在相机坐标系OC-X″CY″CZ″C下点Pk与点Kb的相机坐标由公式(7)-(8)计算得到，则在世界坐标系OW-XWYWZW下点Pk与点Kb对应的世界坐标系中的坐标差值如公式(15)所示：
Figure FDA0003283737490000092
当
Figure FDA0003283737490000093
时，点Kb为点Pk的交跨点，此时交跨距离D为：
Figure FDA0003283737490000094
65)MX姿态是BTS与OS的混合姿态，相机坐标系为OC-X″′CY″′CZ″′C此时旋转矩阵为R＝R(Z,θz)·R(X,θx)，因此在MX姿态下的坐标转换关系为：
Figure FDA0003283737490000095
在相机坐标系OC-X″′CY″′CZ″′C下点P与点K的相机坐标可由公式(7)-(8)计算得到，则在世界坐标系OW-XWYWZW下点P与点K的坐标差值如公式(18)所示：
Figure FDA0003283737490000096
当
Figure FDA0003283737490000101
时，点Pk与点Kb的交跨点，此时交跨距离D为：
Figure FDA0003283737490000102
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