CN115205466A - 一种基于结构光的输电通道三维重建方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于结构光的输电通道三维重建方法和系统。对摄像机内部参数和外部参数进行标定；其中，所述内部参数为摄像头内部结构参数，所述外部参数为摄像头的旋转矩阵和平移矩阵参数；利用摄像头和激光器协同运行选择四个点，通过四点测量确定测量系统的结构参数，获得所述测量系统的结构参数标定；利用三角相似原理结合所述结构参数获取物体点云数据；利用离散的物体点云数据通过Delaunay三角剖分算法进行三维重建，获得三维的输电通道；所述系统包括与所述方法步骤对应的模块。
Description
技术领域
本发明提出了一种基于结构光的输电通道三维重建方法和系统，属于三维重建技术领域。
背景技术
目前电力系统中输电通道的三维重建主要可使用基于可见光的双目视觉来实现，即基于安装在一个输电铁塔上的两个视觉传感器，通过图像采集、标定、立体匹配等获得三维场景信息，给出场景中不同物体的距离。然而，由于摄像头分辨率有限，对于小的或者远距离的物体，重建的输电通道精度和鲁棒性不够，也不能很好的重建出细节信息，因此基于可见光的双目视觉方法对输电通道三维重建方法存在精度和鲁棒性局限性。可见，现有方法对输电通道和导线弧垂的重建精度和鲁棒性较低，尤其针对距离远和细小物体进行三维重建时，其重建精度和鲁棒性会更低。
发明内容
本发明提供了一种基于结构光的输电通道三维重建方法和系统，用以解决现有三维重建方法对输电通道和导线弧垂的重建精度和鲁棒性较低，并且，针对距离远和细小物体进行三维重建时，其重建精度和鲁棒性会更低的问题：
一种基于结构光的输电通道三维重建方法，所述输电通道三维重建方法包括：
对摄像机内部参数和外部参数进行标定；其中，所述内部参数为摄像头内部结构参数，所述外部参数为摄像头的旋转矩阵和平移矩阵参数；
利用摄像头和激光器协同运行选择四个点，通过四点测量确定测量系统的结构参数，获得所述测量系统的结构参数标定；
利用三角相似原理结合所述结构参数获取物体点云数据；
利用离散的物体点云数据通过Delaunay三角剖分算法进行三维重建，获得三维的输电通道。
进一步地，所述对摄像机内部参数和外部参数进行标定包括：
采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的内部参数，其中，所述内部参数包括：焦距f和光心在成像屏幕上的位置(u0,v0)；
采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的外部参数，其中，所述外部参数包括摄像机坐标系和投影仪坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T。
进一步地，所述旋转矩阵R是一个3*3的矩阵,
其中γ为侧倾角，α为俯仰角，β为旋转角。平移矩阵T＝[tx,ty,tz]T是一个3*1的向量。
基于上述的参数，世界坐标下的一个点[Xw，Yw,Zw]可以转化为图像坐标系中的点[u,v]。
其中，dx,dy是每一个像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸。
进一步地，所述利用摄像头和激光器协同运行选择四个点，通过四点测量确定测量系统的结构参数，获得所述测量系统的结构参数标定，包括：
S401、利用激光器打出激光线束，并在所述激光线束上任意选取两点：P点和Q点；
S402、利用摄像机进行成像，获取成像平面，并获取所述P点和Q点在成像平面上对应点E点和F点；
S403、在所述P点和Q点形成的线段PQ上选取第一任意点H，并在所述成像平面上获取与所述第一任意点对应的第一成像对应点G；并另所述第一成像对应点G对应的物理关系满足如下公式：
其中，HQ”表示被测物体H点的高度信息；AG表示H在成像平面上的像点与成像基准点A间的偏移量；θ和
分别表示入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC和CA分别表示Q点成像的物距和像距；A表示成像基准点；C表示摄像头镜头的中心点；
S404、重复执行步骤S403，在所述线段PQ上选取第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L，它们在成像平面上的成像点分别是G′、G″、G″′，并获取所述第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L对应的满足条件公式：
S405、将步骤S403和步骤S404获取的公式联立形成方程组并进行求解，通过求解获取参数θ0、
QC0和CA0；其中，所述参数θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
进一步地，所述利用三角相似原理结合所述结构参数获取物体点云数据，包括：
S501、利用确定的系统参数，根据物体表面点A在像平面上的成像点，计算其与成像基准点A的偏移量AE；其中，偏移量AE通过如下公式获取：
S502、通过计算获取深度信息，其中，所述深度信息通过如下公式获取：
其中，PQ’表示物点的高度信息，即深度信息，θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
一种基于结构光的输电通道三维重建系统，所述输电通道三维重建系统包括：
标定模块，用于对摄像机内部参数和外部参数进行标定；其中，所述内部参数为摄像头内部结构参数，所述外部参数为摄像头的旋转矩阵和平移矩阵参数；
参数标定获取模块，用于利用摄像头和激光器协同运行选择四个点，通过四点测量确定测量系统的结构参数，获得所述测量系统的结构参数标定；
点云数据获取模块，用于利用三角相似原理结合所述结构参数获取物体点云数据；
重建模块，用于利用离散的物体点云数据通过Delaunay三角剖分算法进行三维重建，获得三维的输电通道。
进一步地，所述标定模块包括：
内部参数设置模块，用于采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的内部参数，其中，所述内部参数包括：焦距f和光心在成像屏幕上的位置(u0,v0)；摄像机畸变系数：k1、k2、k3、p1、p2；
外部参数设置模块，用于采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的外部参数，其中，所述外部参数包括摄像机坐标系和投影仪坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T。
进一步地，所述旋转矩阵R是一个3*3的矩阵,
其中γ为侧倾角，α为俯仰角，β为旋转角。平移矩阵T＝[tx,ty,tz]T是一个3*1的向量。
基于上述的参数，世界坐标下的一个点[Xw，Yw,Zw]可以转化为图像坐标系中的点[u,v]。
其中，dx,dy是每一个像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸。
进一步地，所述参数标定获取模块包括：
点获取模块一，用于利用激光器打出激光线束，并在所述激光线束上任意选取两点：P点和Q点；
点获取模块二，用于利用摄像机进行成像，获取成像平面，并获取所述P点和Q点在成像平面上对应点E点和F点；
点获取模块三，用于在所述P点和Q点形成的线段PQ上选取第一任意点H，并在所述成像平面上获取与所述第一任意点对应的第一成像对应点G；并另所述第一成像对应点G对应的物理关系满足如下公式：
其中，HQ”表示被测物体H点的高度信息；AG表示H在成像平面上的像点与成像基准点A间的偏移量；θ和
分别表示入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC和CA分别表示Q点成像的物距和像距；A表示成像基准点；C表示摄像头镜头的中心点；
重复执行模块，用于重复启动所述点获取模块三，控制所述点获取模块三在所述线段PQ上选取第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L，它们在成像平面上的成像点分别是G′、G″、G″′，并获取所述第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L对应的满足条件公式：
进一步地，所述点云数据获取模块包括：
偏移量计算模块，用于利用确定的系统参数，根据物体表面点A在像平面上的成像点，测量其与成像基准点A的偏移量AE；
深度信息获取模块，用于通过计算获取深度信息，其中，所述深度信息通过如下公式获取：
其中，PQ’表示物点的高度信息，即深度信息，θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
本发明有益效果：
本发明提出的一种基于结构光的输电通道三维重建方法和系统，基于线结构光实现输电通道的精确重建，避免了现有可见光双目视觉方法重建不精确的问题。同时，通过采用基于结构光的三维重建方式，可以精准的重建出包含实际三维弧垂和地面物体等的输电通道，能够有效提高针对三维弧垂和地面物体等的输电通道进行三维重建的精确性和鲁棒性，并且，能有效检测危险源对输电导线的危害程度，确保用电传输的安全。同时，通过本发明提出的基于结构光的输电通道三维重建方法和系统能够极大限度提高距离远和细小物体三维重建时的重建精度和鲁棒性。
附图说明
图1为本发明所述输电通道三维重建方法和系统的原理图；
图2为本发明所述输电通道三维重建方法的流程图；
图3为本发明所述输电通道三维重建系统的系统框图；
图4为本发明所述输电通道三维重建系统对应硬件设备的安装示意图一；
图5为本发明所述输电通道三维重建系统对应硬件设备的安装示意图二。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提出了一种基于结构光的输电通道三维重建方法，如图1和图2所示，所述输电通道三维重建方法包括：
S1、对摄像机内部参数和外部参数进行标定；其中，所述内部参数为摄像头内部结构参数，所述外部参数为摄像头的旋转矩阵和平移矩阵参数；
S2、利用摄像头和激光器协同运行选择四个点，通过四点测量确定测量系统的结构参数，获得所述测量系统的结构参数标定；
S3、利用三角相似原理结合所述结构参数获取物体点云数据；
S4、利用离散的物体点云数据通过Delaunay三角剖分算法进行三维重建，获得三维的输电通道。
其中，所述对摄像机内部参数和外部参数进行标定包括：
采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的内部参数，其中，所述内部参数包括：焦距f和光心在成像屏幕上的位置(u0,v0)；摄像机畸变系数：k1、k2、k3、p1、p2；
采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的外部参数，其中，所述外部参数包括摄像机坐标系和投影仪坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T。
具体的，所述焦距f的取值根据摄像机型号确定；所述光心在成像屏幕上的位置为屏幕上随机位置对应的平面坐标；所述摄像机畸变系数满足如下关系：
(a)径向畸变
径向畸变用泰勒级数展开式的前几项来表示。(x0,y0)是径向畸变点在成像仪上的原始位置，(x,y)是产生径向畸变后新的位置。k1、k2、k3是三个参数，r是距离光心的距离。
(b)切向畸变
其中，(x0,y0)是切向畸变点在成像仪上的原始位置，(x,y)是产生切向畸变后的位置。p1、p2是两个参数。
通过上述畸变系数的关系设置能够有效提高摄像机参数与三维重建的匹配性，进而有效提高三维重建的精确性和准确性。
所述旋转矩阵R是一个3*3的矩阵,
其中γ为侧倾角，α为俯仰角，β为旋转角。平移矩阵T＝[tx,ty,tz]T是一个3*1的向量。
基于上述的参数，世界坐标下的一个点[Xw，Yw,Zw]可以转化为图像坐标系中的点[u,v]。
其中，dx,dy是每一个像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸。
上述技术方案的工作原理为：首先，使用熟知的张氏标定法，标定摄像头的内部、外部等参数。采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的内部、外部参数。内部参数是摄像头的内部结构参数；外部参数是摄像头的旋转矩阵和平移矩阵。然后，进行系统标定，选择四个点，通过解方程组的方法，确定整个测量系统的结构参数，完成系统的标定。之后，获取物体点云，具体为根据三角相似原理，获取物体点云数据。最后，利用离散的点云数据，通过可视化技术实现，实现三维重建，得到三维的输电通道。由于激光本身具有单色性、高亮度、全天候等特点，基于结构光的三维重建，可以准确的重建出相邻铁塔间的输电通道中导线弧垂和树木等其他物体，结合危险源的识别，可以准确的评估输电线路的安全风险，保障输电安全。
上述技术方案的效果为：本实施例提出的一种基于结构光的输电通道三维重建方法和系统，基于线结构光实现输电通道的精确重建，避免了现有可见光双目视觉方法重建不精确的问题。同时，通过采用基于结构光的三维重建方式，可以精准的重建出包含实际三维弧垂和地面物体等的输电通道，能够有效提高针对三维弧垂和地面物体等的输电通道进行三维重建的精确性和鲁棒性，并且，能有效检测危险源对输电导线的危害程度，确保用电传输的安全。同时，通过本实施例提出的基于结构光的输电通道三维重建方法和系统能够极大限度提高距离远和细小物体三维重建时的重建精度和鲁棒性。
本发明的一个实施例，所述利用摄像头和激光器协同运行选择四个点，通过四点测量确定测量系统的结构参数，获得所述测量系统的结构参数标定，包括：
S401、利用激光器打出激光线束，并在所述激光线束上任意选取两点：P点和Q点；
S402、利用摄像机进行成像，获取成像平面，并获取所述P点和Q点在成像平面上对应点E点和F点；
S403、在所述P点和Q点形成的线段PQ上选取第一任意点H，并在所述成像平面上获取与所述第一任意点对应的第一成像对应点G；并另所述第一成像对应点G对应的物理关系满足如下公式：
其中，HQ”表示被测物体H点的高度信息；AG表示H在成像平面上的像点与成像基准点A间的偏移量；θ和
分别表示入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC和CA分别表示Q点成像的物距和像距；A表示成像基准点；C表示摄像头镜头的中心点；
S404、重复执行步骤S403，在所述线段PQ上选取第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L，它们在成像平面上的成像点分别是G′、G″、G″′，并获取所述第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L对应的满足条件公式：
S405、将步骤S403和步骤S404获取的公式联立形成方程组并进行求解，通过求解获取参数θ0、
QC0和CA0；其中，所述参数θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
上述技术方案的工作原理为：如图1所示，使用四个点，实现系统中四个结构参数的标定，根据三角相似原理可得如下关系式：
其中，PQ’表示物点的高度信息；AE是P点在摄像机成像平面上的成像点E与成像基准点A的偏移量；QC和CA分别表示Q点成像的物距和像距；这里θ、
QC和CA是系统的四个参数。
在线段PQ上任意选取点H，其在成像平面上的成像点是G，符合下面的公式：
同理，可以在线段PQ上再次任意选取3个点，与上述H点形成4个任意点，就可以得到4个方程，组成方程组，通过求解，可以得到系统的4个参数，θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
上述技术方案的效果为：基于线结构光实现输电通道的精确重建，避免了现有可见光双目视觉方法重建不精确的问题。同时，通过采用基于结构光的三维重建方式，可以精准的重建出包含实际三维弧垂和地面物体等的输电通道，能够有效提高针对三维弧垂和地面物体等的输电通道进行三维重建的精确性和鲁棒性，并且，能有效检测危险源对输电导线的危害程度，确保用电传输的安全。同时，通过本实施例提出的基于结构光的输电通道三维重建方法和系统能够极大限度提高距离远和细小物体三维重建时的重建精度和鲁棒性。
发明的一个实施例，所述利用三角相似原理结合所述结构参数获取物体点云数据，包括：
S501、利用确定的系统参数，根据物体表面点A在像平面上的成像点，测量其与成像基准点A的偏移量AE；
S502、通过计算获取深度信息，其中，所述深度信息通过如下公式获取：
其中，PQ’表示物点的高度信息，即深度信息，θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
上述技术方案的工作原理为：利用确定的系统参数，根据物体表面点A在像平面上的成像点，计算其与成像基准点A的偏移量AE，利用下面公式得到深度信息
利用线激光扫描被测物体表面，对采集到的线激光扫描图像进行处理和计算，得到物体表面点的深度信息，获取点云数据。
上述技术方案的效果为：基于线结构光实现输电通道的精确重建，避免了现有可见光双目视觉方法重建不精确的问题。同时，通过采用基于结构光的三维重建方式，可以精准的重建出包含实际三维弧垂和地面物体等的输电通道，能够有效提高针对三维弧垂和地面物体等的输电通道进行三维重建的精确性和鲁棒性，并且，能有效检测危险源对输电导线的危害程度，确保用电传输的安全。同时，通过本实施例提出的基于结构光的输电通道三维重建方法和系统能够极大限度提高距离远和细小物体三维重建时的重建精度和鲁棒性。
本发明实施例提出了一种基于结构光的输电通道三维重建系统，如图3所示，所述输电通道三维重建系统包括：
标定模块，用于对摄像机内部参数和外部参数进行标定；其中，所述内部参数为摄像头内部结构参数，所述外部参数为摄像头的旋转矩阵和平移矩阵参数；
参数标定获取模块，用于利用摄像头和激光器协同运行选择四个点，通过四点测量确定测量系统的结构参数，获得所述测量系统的结构参数标定；
点云数据获取模块，用于利用三角相似原理结合所述结构参数获取物体点云数据；
重建模块，用于利用离散的物体点云数据通过Delaunay三角剖分算法进行三维重建，获得三维的输电通道。
其中，所述系统对应的硬件设备的安装如图4和图5所示，分别在输电铁塔上安装激光器和摄像机，它们的相对位置如图4和图5所示，位置固定，激光器的轴线、成像物镜的光轴、摄像机的CCD线阵位于同一个平面。
其中，所述标定模块包括：
内部参数设置模块，用于采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的内部参数，其中，所述内部参数包括：焦距f和光心在成像屏幕上的位置(u0,v0)；摄像机畸变系数：k1、k2、k3、p1、p2；
外部参数设置模块，用于采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的外部参数，其中，所述外部参数包括摄像机坐标系和投影仪坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T。
具体的，所述焦距f的取值根据摄像机型号确定；所述光心在成像屏幕上的位置为屏幕上随机位置对应的平面坐标；所述摄像机畸变系数满足如下关系：
(a)径向畸变
径向畸变用泰勒级数展开式的前几项来表示。(x0,y0)是径向畸变点在成像仪上的原始位置，(x,y)是产生径向畸变后新的位置。k1、k2、k3是三个参数，r是距离光心的距离。
(b)切向畸变
(x0,y0)是切向畸变点在成像仪上的原始位置，(x,y)是产生切向畸变后的位置。p1、p2是两个参数。
通过上述畸变系数的关系设置能够有效提高摄像机参数与三维重建的匹配性，进而有效提高三维重建的精确性和准确性。
所述旋转矩阵R是一个3*3的矩阵,
其中γ为侧倾角，α为俯仰角，β为旋转角。平移矩阵T＝[tx,ty,tz]T是一个3*1的向量。
基于上述的参数，世界坐标下的一个点[Xw，Yw,Zw]可以转化为图像坐标系中的点[u,v]。
其中，dx,dy是每一个像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸。
上述技术方案的工作原理为：首先，使用熟知的张氏标定法，标定摄像头的内部、外部等参数。采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的内部、外部参数。内部参数是摄像头的内部结构参数；外部参数是摄像头的旋转矩阵和平移矩阵。然后，进行系统标定，选择四个点，通过解方程组的方法，确定整个测量系统的结构参数，完成系统的标定。之后，获取物体点云，具体为根据三角相似原理，获取物体点云数据。最后，利用离散的点云数据，通过可视化技术实现，实现三维重建，得到三维的输电通道。由于激光本身具有单色性、高亮度、全天候等特点，基于结构光的三维重建，可以准确的重建出相邻铁塔间的输电通道中导线弧垂和树木等其他物体，结合危险源的识别，可以准确的评估输电线路的安全风险，保障输电安全。
上述技术方案的效果为：本实施例提出的一种基于结构光的输电通道三维重建方法和系统，基于线结构光实现输电通道的精确重建，避免了现有可见光双目视觉方法重建不精确的问题。同时，通过采用基于结构光的三维重建方式，可以精准的重建出包含实际三维弧垂和地面物体等的输电通道，能够有效提高针对三维弧垂和地面物体等的输电通道进行三维重建的精确性和鲁棒性，并且，能有效检测危险源对输电导线的危害程度，确保用电传输的安全。同时，通过本实施例提出的基于结构光的输电通道三维重建方法和系统能够极大限度提高距离远和细小物体三维重建时的重建精度和鲁棒性。
本发明的一个实施例，所述参数标定获取模块包括：
点获取模块一，用于利用激光器打出激光线束，并在所述激光线束上任意选取两点：P点和Q点；
点获取模块二，用于利用摄像机进行成像，获取成像平面，并获取所述P点和Q点在成像平面上对应点E点和F点；
点获取模块三，用于在所述P点和Q点形成的线段PQ上选取第一任意点H，并在所述成像平面上获取与所述第一任意点对应的第一成像对应点G；并另所述第一成像对应点G对应的物理关系满足如下公式：
其中，HQ”表示被测物体H点的高度信息；AG表示H在成像平面上的像点与成像基准点A间的偏移量；θ和
分别表示入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC和CA分别表示Q点成像的物距和像距；A表示成像基准点；C表示摄像头镜头的中心点；
重复执行模块，用于重复启动所述点获取模块三，控制所述点获取模块三在所述线段PQ上选取第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L，它们在成像平面上的成像点分别是G′、G″、G″′，并获取所述第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L对应的满足条件公式：
求解模块，用于将所述点获取模块三和所述重复执行模块获取的公式联立形成方程组并进行求解，通过求解获取参数θ0、
QC0和CA0；其中，所述参数θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
上述技术方案的工作原理为：如图1所示，使用四个点，实现系统中四个结构参数的标定，根据三角相似原理可得如下关系式：
其中，PQ’表示物点的高度信息；AE是P点在摄像机成像平面上的成像点E与成像基准点A的偏移量；QC和CA分别表示Q点成像的物距和像距；这里θ、
QC和CA是系统的四个参数。
在线段PQ上任意选取点H，其在成像平面上的成像点是G，符合下面的公式：
同理，可以在线段PQ上再次任意选取3个点，与上述H点形成4个任意点，就可以得到4个方程，组成方程组，通过求解，可以得到系统的4个参数，θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
上述技术方案的效果为：基于线结构光实现输电通道的精确重建，避免了现有可见光双目视觉方法重建不精确的问题。同时，通过采用基于结构光的三维重建方式，可以精准的重建出包含实际三维弧垂和地面物体等的输电通道，能够有效提高针对三维弧垂和地面物体等的输电通道进行三维重建的精确性和鲁棒性，并且，能有效检测危险源对输电导线的危害程度，确保用电传输的安全。同时，通过本实施例提出的基于结构光的输电通道三维重建方法和系统能够极大限度提高距离远和细小物体三维重建时的重建精度和鲁棒性。
发明的一个实施例，所述点云数据获取模块包括：
偏移量计算模块，用于利用确定的系统参数，根据物体表面点A在像平面上的成像点，测量其与成像基准点A的偏移量AE；
深度信息获取模块，用于通过计算获取深度信息，其中，所述深度信息通过如下公式获取：
其中，PQ’表示物点的高度信息，即深度信息，θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
上述技术方案的工作原理为：利用确定的系统参数，根据物体表面点A在像平面上的成像点，计算其与成像基准点A的偏移量AE，利用下面公式得到深度信息
利用线激光扫描被测物体表面，对采集到的线激光扫描图像进行处理和计算，得到物体表面点的深度信息，获取点云数据。
上述技术方案的效果为：基于线结构光实现输电通道的精确重建，避免了现有可见光双目视觉方法重建不精确的问题。同时，通过采用基于结构光的三维重建方式，可以精准的重建出包含实际三维弧垂和地面物体等的输电通道，能够有效提高针对三维弧垂和地面物体等的输电通道进行三维重建的精确性和鲁棒性，并且，能有效检测危险源对输电导线的危害程度，确保用电传输的安全。同时，通过本实施例提出的基于结构光的输电通道三维重建方法和系统能够极大限度提高距离远和细小物体三维重建时的重建精度和鲁棒性。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于结构光的输电通道三维重建方法，其特征在于，所述输电通道三维重建方法包括：
对摄像机内部参数和外部参数进行标定；其中，所述内部参数为摄像头内部结构参数，所述外部参数为摄像头的旋转矩阵和平移矩阵参数；
利用摄像头和激光器协同运行选择四个点，通过四点测量确定测量系统的结构参数，获得所述测量系统的结构参数标定；
利用三角相似原理结合所述结构参数获取物体点云数据；
利用离散的物体点云数据通过Delaunay三角剖分算法进行三维重建，获得三维的输电通道。
2.根据权利要求1所述输电通道三维重建方法，其特征在于，所述对摄像机内部参数和外部参数进行标定包括：
采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的内部参数，其中，所述内部参数包括：焦距f和光心在成像屏幕上的位置(u0,v0)；
采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的外部参数，其中，所述外部参数包括摄像机坐标系和投影仪坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T。
3.根据权利要求2所述输电通道三维重建方法，其特征在于，所述光心在成像屏幕上的位置(u0,v0)；
所述旋转矩阵R是一个3*3的矩阵,
其中，γ为侧倾角，α为俯仰角，β为旋转角；平移矩阵T＝[tx,ty,tz]T是一个3*1的向量；
基于上述的参数，世界坐标下的一个点[Xw，Yw,Zw]可以转化为图像坐标系中的点[u,v]；
其中，dx,dy是每一个像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸。
4.根据权利要求1所述输电通道三维重建方法，其特征在于，所述利用摄像头和激光器协同运行选择四个点，通过四点测量确定测量系统的结构参数，获得所述测量系统的结构参数标定，包括：
S401、利用激光器打出激光线束，并在所述激光线束上任意选取两点：P点和Q点；
S402、利用摄像机进行成像，获取成像平面，并获取所述P点和Q点在成像平面上对应点E点和F点；
S403、在所述P点和Q点形成的线段PQ上选取第一任意点H，并在所述成像平面上获取与所述第一任意点对应的第一成像对应点G；并另所述第一成像对应点G对应的物理关系满足如下公式：
其中，HQ”表示被测物体H点的高度信息；AG表示H在成像平面上的像点与成像基准点A间的偏移量；θ和
分别表示入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC和CA分别表示Q点成像的物距和像距；A表示成像基准点；C表示摄像头镜头的中心点；
S404、重复执行步骤S403，在所述线段PQ上选取第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L，它们在成像平面上的成像点分别是G′、G″、G″′，并获取所述第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L对应的满足条件公式：
S405、将步骤S403和步骤S404获取的公式联立形成方程组并进行求解，通过求解获取参数θ0、
QC0和CA0；其中，所述参数θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
5.根据权利要求1所述输电通道三维重建方法，其特征在于，所述利用三角相似原理结合所述结构参数获取物体点云数据，包括：
S501、利用确定的系统参数，根据物体表面点A在像平面上的成像点，测量其与成像基准点A的偏移量AE；
S502、通过计算获取深度信息，其中，所述深度信息通过如下公式获取：
其中，PQ’表示物点的高度信息，即深度信息，θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
6.一种基于结构光的输电通道三维重建系统，其特征在于，所述输电通道三维重建系统包括：
标定模块，用于对摄像机内部参数和外部参数进行标定；其中，所述内部参数为摄像头内部结构参数，所述外部参数为摄像头的旋转矩阵和平移矩阵参数；
参数标定获取模块，用于利用摄像头和激光器协同运行选择四个点，通过四点测量确定测量系统的结构参数，获得所述测量系统的结构参数标定；
点云数据获取模块，用于利用三角相似原理结合所述结构参数获取物体点云数据；
重建模块，用于利用离散的物体点云数据通过Delaunay三角剖分算法进行三维重建，获得三维的输电通道。
7.根据权利要求6所述输电通道三维重建系统，其特征在于，所述标定模块包括：
内部参数设置模块，用于采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的内部参数，其中，所述内部参数包括：焦距f和光心在成像屏幕上的位置(u0,v0)；摄像机畸变系数：k1、k2、k3、p1、p2；
外部参数设置模块，用于采用张氏标定法基于棋盘格图像确定摄像头的外部参数，其中，所述外部参数包括摄像机坐标系和投影仪坐标系之间的旋转矩阵R和平移矩阵T。
8.根据权利要求7所述输电通道三维重建系统，其特征在于，所述光心在成像屏幕上的位置(u0,v0)
所述旋转矩阵R是一个3*3的矩阵,
其中γ为侧倾角，α为俯仰角，β为旋转角；平移矩阵T＝[tx,ty,tz]T是一个3*1的向量；
基于上述的参数，世界坐标下的一个点[Xw，Yw,Zw]可以转化为图像坐标系中的点[u,v]：
其中，dx,dy是每一个像素在x轴和y轴方向上的物理尺寸。
9.根据权利要求6所述输电通道三维重建系统，其特征在于，所述参数标定获取模块包括：
点获取模块一，用于利用激光器打出激光线束，并在所述激光线束上任意选取两点：P点和Q点；
点获取模块二，用于利用摄像机进行成像，获取成像平面，并获取所述P点和Q点在成像平面上对应点E点和F点；
点获取模块三，用于在所述P点和Q点形成的线段PQ上选取第一任意点H，并在所述成像平面上获取与所述第一任意点对应的第一成像对应点G；并另所述第一成像对应点G对应的物理关系满足如下公式：
其中，HQ”表示被测物体H点的高度信息；AG表示H在成像平面上的像点与成像基准点A间的偏移量；θ和
分别表示入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC和CA分别表示Q点成像的物距和像距；A表示成像基准点；C表示摄像头镜头的中心点；
重复执行模块，用于重复启动所述点获取模块三，控制所述点获取模块三在所述线段PQ上选取第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L，它们在成像平面上的成像点分别是G′、G″、G″′，并获取所述第二任意点M，第三任意点N和第四任意点L对应的满足条件公式：
求解模块，用于将所述点获取模块三和所述重复执行模块获取的公式联立形成方程组并进行求解，通过求解获取参数θ0、
QC0和CA0；其中，所述参数θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
10.根据权利要求6所述输电通道三维重建系统，其特征在于，所述点云数据获取模块包括：
偏移量计算模块，用于利用确定的系统参数，根据物体表面点A在像平面上的成像点，测量其与成像基准点A的偏移量AE；
深度信息获取模块，用于通过计算获取深度信息，其中，所述深度信息通过如下公式获取：
其中，PQ’表示物点的高度信息，即深度信息，θ0和
分别表示当前情况下入射光线和参考平面的夹角，反射光线和成像平面的夹角；QC0和CA0分别表示当前情况下Q点成像的物距和像距。
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| CN117809297A (zh) * | 2024-02-28 | 2024-04-02 | 江苏濠汉信息技术有限公司 | 基于三维重建的输电线路危险源智能识别方法 |
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| CN114663597A (zh) * | 2022-04-06 | 2022-06-24 | 四川大学 | 基于归一化扩展极线几何的实时结构光重建方法及装置 |
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