具有偏振镜的变电站室内巡检机器人图像采集系统及方法与流程
本发明涉及变电站设备图像采集领域，具体涉及具有偏振镜的变电站室内巡检机器人图像采集系统及方法。
背景技术：
目前，对变电站设备图像采集时，采用室内轨道机器人采集屏柜设备图像，避免了人工的现场采集，安全可靠，但是在变电站室内巡检机器人采集屏柜设备图像时存在屏柜玻璃反光的现象。
本领域中的相关现有技术中，中国第201510290300.2号专利介绍了一种具有自适应偏振镜调节的巡检机器人图像处理系统及方法，在摄像机前方设置偏振镜，降低景物表面的反光。摄像机的光轴垂直穿过偏振镜的中心，并且偏振镜可以以可见光相机的光轴为中心轴旋转，根据计算的表计反射光线的偏振极性方向，来调节偏振镜放置角度。但是只有当自然光的入射角是布儒斯特角时，反射光是完全偏振光，如果入射光角度不合适，消除反光不能达到好的效果。
中国第201310312020.8号专利控制拟被拍照物体到光源和相机连线的夹角为两倍的布儒斯特角，在相机镜头的前方设置一个垂直相机光轴的偏振片，通过旋转偏振片，分时拍摄多幅具有不同偏振角度的偏振图像，对偏振图像划定像素点窗口，将窗口内像素点灰度值与阈值进行比较，选取灰度值大于阈值的像素点个数最小的窗口内像素点融合成像。此方法虽然使得入射角为布儒斯特角，但是只能使得光源正照的地方拍摄清晰。如果拍摄的目标面积很大，不会使得所有地方都拍摄清晰。
中国第201410014250.0号专利介绍了一种带薄膜的信封用光源照射取像时消除曝光点的方法，当窗口信移动到读图像区域时，用于读图像的扫描相机的光源经过双层偏振，第一层偏振将光源的发散光，变成有方向的偏振光，降低了发散光照在窗口信塑料膜表面产生反射光的概率，同时弱化了光的强度，第二层偏振通过调整偏振的角度，过滤掉经过第一层偏振后仍存在的亮点的叠加光，进入相机的图像就还原了窗口的清晰信息，从而消除了拍照时的反光亮点，准确识别整封窗口信的完整信息。但是如果被拍摄物体有凸出的部分，就会造成阴影，影响目标的识别。
室内轨道机器人巡检屏柜设备的现场图如图1(a)-图1(b)所示，侧视图如图2(a)-图2(b)所示。当使用摄像机对屏柜内设备进行图像采集时，玻璃的反射光会在采集的设备图像中形成大的光斑，影响屏柜内电力设备工作状态的识别，如图3所示，原理图如图4所示。因此需要采用必要的措施减少玻璃反射光。
目前室内轨道机器人进行采集屏柜设备图像主要存在以下几方面问题：
1.如果只在相机前方加偏振镜，要求光源的入射角必须是布儒斯特角，才能达到最好的消除反光的效果。
2.如果使用增透膜来增加玻璃的透射率以减少反光，镀膜的玻璃是光学玻璃，而不是普通的工业玻璃，而且镀膜玻璃尺寸有限制，不能太大，并且增透膜只是减少反光，并不能消除。变电站室内屏柜设备数量繁多，贴膜工作增加了人力、财力成本投入。
3.如果在相机镜头和物体之间增加相机衰减片降低反光造成的亮斑，会导致图像整体变暗，细节不能分辨。
因此，需要对室内轨道机器人进行采集屏柜设备图像做进一步的改进。
技术实现要素：
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了具有偏振镜的变电站室内巡检机器人图像采集系统及方法，本发明的目的是：解决室内智能巡检机器人图像采集时玻璃反光的问题，改善采集图像的质量，提高屏柜内电力设备状态的识别率。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
具有偏振镜的变电站室内巡检机器人图像采集系统，包括安装在室内巡检机器人云台箱体中的摄像机和至少一个光源，所述摄像机及光源的前方均固定有方向可调的偏振镜；
光源偏振方向调整单元，用于调节光源偏振镜的方向，当使用单光源或双光源时，使得光的振动面与入射面平行，即偏振镜的偏振方向和偏振镜到摄像机的连线在一条直线上；当使用其他光源方案时，按照设定偏振镜的偏振方向设置方法调节光源偏振镜方向；
摄像机偏振方向调整单元，用于调节摄像机上偏振镜的方向；当使用单光源或双光源时，使摄像机上偏振镜的偏振方向和光源偏振镜的偏振方向垂直，过滤掉光源在玻璃上的反射光；当使用其他光源方案时，按照设定偏振镜的偏振方向设置方法调节偏振镜的方向。
进一步的，所述光源的数量为一个时，所述光源放置在以摄像机为圆心的圆上，摄像机的光轴方向朝正前方，光源入射方向和摄像机光轴方向有一定的夹角，该夹角使得摄像机拍摄到光源正照的地方。
进一步的，所述光源入射方向和摄像机光轴共面，且两者的夹角为
arctan(D/L)
其中L是光源到摄像机的距离，D是摄像机到屏柜玻璃的距离。
进一步的，所述光源的数量为两个时，两个光源和摄像机放在三仓的云台中，两个光源和摄像机的前方均固定有方向可调的偏振镜，所述摄像机对称的两侧各放置一个光源，适用于含有凸出的屏柜设备。
进一步的，所述两个光源放置在以摄像机为中心的对称位置上，偏振镜的偏振方向和偏振镜到摄像机的连线在一条直线上。
特别地，所述两个光源放置在摄像机左右两侧，光源偏振镜的偏振方向则为水平。
特别地，所述两个光源放置在摄像机上下两侧，光源偏振镜的偏振方向则为竖直。
本发明还公开了具有偏振镜的变电站室内巡检机器人图像采集方法，包括
将摄像机和光源安装在室内巡检机器人的云台箱体中，摄像机的光轴方向朝正前方，调整光源入射方向和摄像机光轴方向的夹角使得摄像机拍摄到光源正照的地方；
在摄像机前方固定一个方向可调节偏振镜，在光源上固定一个方向可调节偏振镜；
调节光源偏振镜的方向，使得光的振动面与入射面平行，也就是偏振镜的偏振方向和偏振镜到摄像机的连线在一条直线上；
调节摄像机上偏振镜的方向，使其与光源偏振镜的方向正交；
打开光源进行图像采集。
进一步的，在安装偏振镜之前还需要确定每个偏振镜的偏振方向，并做出标记，以便后续方便进行方向的调整。
特别地，如果在摄像机左右两侧分别放置一个光源，光源偏振镜的偏振方向则为水平；如果在摄像机上下两侧分别放置一个光源，光源偏振镜的偏振方向则为竖直。
特别地，调节摄像机上偏振镜的方向时，如果光源放置在摄像机左右两侧，摄像机上的偏振镜的偏振方向为竖直；如果光源放置在摄像机上下两侧，摄像机上的偏振镜的偏振方向为水平。
进一步的，光源方案不仅限于单光源和双光源，当采用其他光源方案时，光源前面的偏振镜的偏振方向设置方法：
光源入射光的振动面和反射光的振动面的关系为
其中i为偏振光的入射角，γ为偏振光的折射角，α为入射光的振动面与入射面的夹角，α'为反射光的振动面与入射面的夹角；
当光源的位置确定后，入射方向照射到摄像机要采集的图像区域，i、γ和入射面便已知，当摄像机前面的偏振镜的偏振方向确定后，其正交方向就是反射光的振动方向，α'也已知，便可以求出α。
如果一个光源和摄像机的连线与水平方向的夹角是θ，摄像机前方的偏振镜的偏振方向设置为水平，当光源反射光的振动方向为竖直，即反射光的振动面和入射面的夹角为90°-θ时，消除反射光，因此可以得出入射光的振动面和入射面的夹角为
由于入射面也已知，便可确定光源前面偏振镜的偏振方向，i为偏振光的入射角，γ为偏振光的折射角。
进一步的，上述具有偏振镜的变电站室内巡检机器人图像采集方法也适用于当云台平移或者旋转时的情况，仍然按照设置好的光源位置和偏振镜的方向工作。
本发明的有益效果：
(1)削弱玻璃反光：变电站室内屏柜设备有玻璃门，光源照射到上面会形成强烈的反光，导致拍摄的图像中有大片的光斑，图像中玻璃门内的设备。在摄像机和光源上加上偏振镜并且调整到合适的角度后，可以有效减弱玻璃的反光，但对玻璃门内设备表面的漫反射光则影响不大。另外，室内日光灯关闭，室内其他物体黑暗，不会在玻璃柜内形成反光。
(2)光源入射角度无限制：一般应用偏振镜消弱反光时，要求光源的入射角为布儒斯特角，因为此时的反射光才为偏振光，大大限制了其应用范围。由于本发明中光源加了偏振镜，光源出来的光本身就是偏振光，经过玻璃反射后仍为偏振光，所以不需要光源的入射角度为布儒斯特角，就可以达到消除玻璃反光的效果。
(3)调整好偏振镜的角度后，在机器人运动过程中，就不用再次调整偏振镜角度。
(4)在同一光照下采集不同位置的设备图像。
(5)有效消除设备的阴影。虽然两个光源倾斜照到屏柜设备上，但由于两个光源左右对称放置，不存在照射暗区，可有效消除阴影。
(6)节约电能。光源由机器人本身提供，只照亮当前识别的设备区域，不需要打开室内所有灯光。
附图说明
图1(a)室内轨道机器人巡检屏柜设备现场图一；
图1(b)室内轨道机器人巡检屏柜设备现场图二；
图2(a)室内轨道机器人巡检屏柜设备侧视图一；
图2(b)室内轨道机器人巡检屏柜设备侧视图二；
图3屏柜玻璃反射光造成的大光斑；
图4光源会在玻璃面上形成反光影响设备识别；
图5光源偏振片与相机偏振片设置方案；
图6自然光通过双偏振镜；
图7光源和摄像机前面加偏振镜消除反光；
图8使用两个光源消除设备阴影；
图9光源任意放置时偏振镜角度的调节；
图10偏振镜消除屏柜玻璃反光效果图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
如图5所示，具有偏振镜的变电站室内巡检机器人图像采集方法的流程图，具体步骤如下(此处以双光源为例进行说明)：
步骤1，确定每个偏振镜的偏振方向，并做出标记。
步骤2，安装光源、摄像机和偏振镜。将摄像机和光源安装在云台箱体中，光源在摄像机左右两侧(或上下两侧)放置，摄像机的光轴方向朝正前方，光源入射方向和摄像机光轴共面，且两者的夹角为
arctan(D/L)
使得摄像机拍摄到光源正照的地方。其中L是光源到摄像机的距离，D是摄像机到屏柜玻璃的距离。在摄像机前方固定一个偏振镜，在每个光源上固定一个偏振镜，偏振镜的方向可以调节。
步骤3，调节每个光源偏振镜的方向，使得光的振动面与入射面平行，也就是偏振镜的偏振方向和偏振镜到摄像机的连线在一条直线上，这样可以使得光在玻璃面的反射率最小。特别地，如果光源放置在摄像机左右两侧，光源偏振镜的偏振方向则为水平；如果光源放置在摄像机上下两侧，光源偏振镜的方向则为竖直。
步骤4，调节摄像机上偏振镜的方向，使其与光源偏振镜的方向正交。特别地，如果光源放置在摄像机左右两侧，摄像机上的偏振镜的偏振方向为竖直；如果光源放置在摄像机上下两侧，摄像机上的偏振镜的偏振方向为水平。
步骤5，打开所有的光源进行图像采集，并且当云台平移或者旋转时，仍然按照设置好的光源位置和偏振镜的方向工作。
为了更好的解释本发明的创新点，下面介绍关于双偏振镜消除反光原理：
图6是自然光通过双偏振镜的过程。两个偏振镜的偏振方向垂直，第一个偏振镜偏振方向为竖直，第二个偏振镜偏振方向为水平。自然光通过第一个偏振镜后变成在竖直方向振动的偏振光，通过第二个偏振镜时，由于偏振光的振动方向和偏振镜的偏振方向垂直，从第二个偏振镜无光线射出。
基于上述原理，使用单光源消除反光方案：
图7是室内巡检机器人利用双偏振镜采集屏柜图像消除反光的过程。在光源前面加一个偏振镜，使得入射光是偏振光，偏振光在屏柜玻璃上同时发生反射和折射。偏振光反射后，仍然是偏振光，只是振动面相对入射光的偏振面发生了旋转。因此在摄像机前面加一个偏振镜，使得其偏振方向和反射光的偏振方向垂直，这样就过滤掉了反射光，基本消除了设备成像上的大光斑。
使用双光源消除反光方案：图8是加对称双光源的示意图，其中光源和摄像机放在三仓的云台中。有些屏柜设备凸出来一部分，单侧光源照射，会形成阴影，因此在摄像机左右两侧各放置一个光源，消除设备阴影。另外还将光源偏振镜的偏振方向调节为水平，因为当偏振光的振动面与入射面平行时，反射率最小。
其他光源布置方案：除了上述的单光源和双光源的方案外，光源可以在以摄像机为圆心的任意圆上放置，光源的个数和位置不受限制。为了使光源照射到摄像机拍摄的设备区域，光源入射方向和摄像机光轴共面，且两者的夹角为
arctan(D/L)
其中L是光源到摄像机的距离，D是摄像机到屏柜玻璃的距离。
设某个光源和摄像机的连线与水平方向的夹角是θ，摄像机前方的偏振镜的偏振方向设置为水平，如图9所示，此时光源前面的偏振镜的偏振方向设置方法如下。
根据光学相关理论，线偏振光的反射光仍然是偏振光，但是其振动面发生了旋转，入射光的振动面和反射光的振动面的关系为
其中i为偏振光的入射角，γ为偏振光的折射角，α为入射光的振动面与入射面的夹角，α'为反射光的振动面与入射面的夹角。当光源的位置确定后，入射方向照射到摄像机要采集的图像区域，i、γ和入射面便已知，当摄像机前面的偏振镜的偏振方向确定后，其正交方向就是反射光的振动方向，α'也已知，便可以求出α
由于摄像机偏振镜的偏振方向为水平，当光源反射光的振动方向为竖直，即反射光的振动面和入射面的夹角为90°-θ时，才能有效消除反射光。因此可以得出入射光的振动面和入射面的夹角为
由于入射面也已知，便可确定光源前面偏振镜的偏振方向。
特别地，当偏振光的振动面与入射面平行或者垂直时，反射光的振动面仍然与入射面平行或者垂直，偏振光的振动方向不改变。因此当光源放置在摄像机的上下左右位置时，光源的偏振镜的偏振方向设置为与摄像机的偏振方向正交即可。
另外，本申请还公开了具有偏振镜的变电站室内巡检机器人图像采集系统，包括安装在室内巡检机器人云台箱体中的摄像机和至少一个光源，所述摄像机及光源的前方均固定有方向可调的偏振镜；
光源偏振镜用一个可旋转装置固定在云台上光源前方，手动或者马达驱动来调节光源偏振镜的偏振方向。当使用单光源或双光源方案时，使得光的振动面与入射面平行，即偏振镜的偏振方向和偏振镜到摄像机的连线在一条直线上；当使用其他光源方案时，按照所述方法调节光源偏振镜方向。
摄像机偏振镜用一个可旋转装置固定在云台上摄像机前方，手动或者马达驱动调节摄像机上偏振镜的偏振方向。当使用单光源或双光源方案时，使摄像机上偏振镜的偏振方向和光源偏振镜的偏振方向垂直，过滤掉光源在玻璃上的反射光；当使用其他光源方案时，按照所述方法调节偏振镜的方向。
本发明实现了变电站室内智能巡检机器人对屏柜设备的图像采集方法及系统，技术关键点是摄像机和光源的布局放置及偏振镜角度的设置方法。并详细公开了单光源偏振镜消除反光和多光源偏振镜消除反光的技术方案。本申请可以拍得设备清晰的图像，效果图如图10所示。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
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