基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距系统及方法与流程

本发明涉及高压安全技术领域，特别涉及一种基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距系统及方法。

背景技术：

双目立体视觉测距是一种被动的测距方法，其模仿人类利用双目感知距离的一种测距方法。其主要是运用两个摄像机对同一个场景内同一物体在两个摄像机的不同成像位置成像获得相应的视差，并根据其视差和基线来确定特定目标物的深度信息。

在高压安全技术领域内，高压电线的电压等级越高，所需要的安全作业距离越大。高压作业人员工作场合纷繁复杂，发生高压意外触电事故的风险极高，因此，精准的测量结果，便携的测量装置对于高压作业人员的生命财产安全至关重要。可实时运用于高压作业测量距离的场合，给高压作业人员提供精确的距离测量结果，以避免因长时间工作而麻痹大意造成的意外高压触电事故，而且一般的测距方法分辨率低，所得到的测距结果未必是高压电线的真实距离，安全距离的误判率极高。

然而，传统测量距离的方法分辨率极低，盲区大，安全性低，对高压电线做精确识别较为困难，传统的测量距离的装置体积大，结构复杂，适用场合单一，不易安装和携带。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于提供一种基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距系统及方法，以解决传统测量距离的方法分辨率极低，盲区大，安全性低，对高压电线做精确识别较为困难，传统的测量距离的装置体积大，结构复杂，适用场合单一，不易安装和携带的技术问题。

根据本发明实施例第一方面，提供了一种基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距系统，所述系统包括双目摄像机和与所述双目摄像机连接的FPGA数据处理模块；所述FPGA数据处理模块包括图像数据获取单元、图像预处理单元、立体匹配单元和三维建模单元；

所述数据获取单元用于获取高压电线的图像对，所述图像对包括左视角图像和右视角图像；

所述图像预处理单元用于对所述图像对进行预处理；所述预处理包括对所述图像对进行极线校正，并对校正后的图像对提取高压电线目标特征对；所述高压电线目标特征对包括左视角高压电线目标特征和右视角高压电线目标特征；对所述高压电线目标特征对进行滤出噪声和目标增强处理，并根据不同的特征区域，将处理后的所述左视角高压电线目标特征分割成数个左匹配单元，以及，将处理后的所述右视角高压电线目标特征分割成数个右匹配单元；

所述立体匹配单元用于将对应相同特征区域的所述左匹配单元和所述右匹配单元进行立体匹配，得到立体匹配信息；

所述三维建模单元用于根据所述立体匹配信息进行三维重建，根据所得到的立体图像对包含的深度信息，得到高压电线的距离。

优选地，所述系统还包括SDRAM图像存储模块和EPCS4串行配置模块，所述SDRAM图像存储模块和所述EPCS4串行配置模块分别与所述FPGA数据处理模块连接；

所述SDRAM图像存储模块用于实时存储图像数据信息；所述图像数据信息包括预处理前、后的所述图像对、所述立体匹配信息以及所述高压电线的深度信息；

所述EPCS4串行配置模块用于对所述图像数据信息进行备份。

优选地，所述系统还包括JTAG模块，所述JTAG模块与所述FPGA数据处理模块连接；

所述JTAG模块用于对所述FPGA数据处理模块进行调试。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距系统，包括双目摄像机和与所述双目摄像机连接的FPGA数据处理模块；所述FPGA数据处理模块包括图像数据获取单元、图像预处理单元、立体匹配单元和三维建模单元；本发明示出的高压电线测距系统利用双目摄像机实时采集某一相同场景下的高压电线的原始图像对，可以使所述高压电线测距系统实时应用于高压作业场合；利用图像信息的可视化特点，采用FPGA数据处理模块对图像对进行预处理、立体匹配以及三维建模处理，处理过程高速，得到高压电线的深度信息，进而得到高压电线的距离，测距结果精确，克服了传统测距方案的不能识别目标物的不足，所述系统分辨率高、体积小以及结构简单，可用于多场合实时测量。

根据本发明实施例另一方面，提供了一种基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距方法，应用于基于FPGA硬件的高压电线测距系统，所述系统包括双目摄像机、FPGA数据处理模块、SDRAM图像存储模块、EPCS4串行配置模块和JTAG模块，所述双目摄像机、所述FPGA数据处理模块、所述SDRAM图像存储模块、所述EPCS4串行配置模块和所述JTAG模块分别与所述FPGA数据处理模块连接，所述方法包括：

获取高压电线的图像对,所述图像对包括左视角图像和右视角图像；

对所述图像对进行预处理；所述预处理包括对所述图像对进行极线校正，并对校正后的图像对提取高压电线目标特征对；所述高压电线目标特征对包括左视角高压电线目标特征和右视角高压电线目标特征；对所述高压电线目标特征对进行滤出噪声和目标增强处理，并根据不同的特征区域，将处理后的所述左视角高压电线目标特征分割成数个左匹配单元，以及，将处理后的所述右视角高压电线目标特征分割成数个右匹配单元；

将对应相同特征区域的所述左匹配单元和所述右匹配单元进行立体匹配，得到立体匹配信息；

根据所述立体匹配信息进行三维重建，根据所得到的立体图像对包含的深度信息，得到高压电线的距离。

进一步，所述方法还包括：

实时存储图像数据信息；所述图像数据信息包括预处理前、后的所述图像对、所述立体匹配信息以及所述高压电线的深度信息；

并对所述图像数据信息进行备份。

进一步，所述方法还包括，利用所述双目摄像机采集高压电线的原始图像对，所述原始图像对包括左视角原始图像和右视角原始图像。

进一步，所述获取高压电线的图像对之前，所述方法还包括，根据所述原始图像对对所述双目摄像机进行标定。

进一步，所述根据所得到的立体图像对包含的深度信息，得到高压电线的距离具体为，根据所得到的立体图像对包含的深度信息计算得到一组距离值，于所述一组距离值中选择最小距离值。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距方法，应用于基于FPGA硬件的高压电线测距系统，所述系统包括双目摄像机、FPGA数据处理模块、SDRAM图像存储模块、EPCS4串行配置模块和JTAG模块，所述方法包括获取高压电线的图像对,所述图像对包括左视角图像和右视角图像；对所述图像对进行预处理；将对应相同特征区域的左匹配单元和右匹配单元进行立体匹配，得到立体匹配信息；根据所述立体匹配信息进行三维重建，根据所得到的立体图像对包含的深度信息，得到高压电线的距离。本高压电线测距方法实时采集某一相同场景下的高压电线的原始图像对，可以实时应用于高压作业场合；利用图像信息的可视化特点，对获取的图像对进行预处理、立体匹配以及三维建模处理，处理过程高速，得到高压电线的深度信息，进而得到高压电线的距离，测距结果精确，克服了传统测距方案的不能识别目标物的不足，所述方法分辨率高，可用于多场合实时测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据一优选实施例示出的基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距系统结构示意图；

图2为根据一优选实施例示出的基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距方法流程图；

图3为根据一优选实施例示出的基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距方法预处理步骤流程图。

其中，1-双目摄像机；2-FPGA数据处理模块；3-SDRAM图像存储模块；4-EPCS4串行配置模块；5-JTAG模块；21-图像数据获取单元；22-图像预处理单元；23-立体匹配单元；24-三维建模单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例的第一方面，提供了一种基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距系统，如图1所示，所述系统包括双目摄像机1和与所述双目摄像机1连接的FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)数据处理模块2；所述FPGA数据处理模块2包括图像数据获取单元21、图像预处理单元22、立体匹配单元23和三维建模单元24；

所述数据获取单元21用于获取高压电线的图像对,所述图像对包括左视角图像和右视角图像；

所述图像预处理单元22用于对所述图像对进行预处理；所述预处理包括对所述图像对进行极线校正，并对校正后的图像对提取高压电线目标特征对；所述高压电线目标特征对包括左视角高压电线目标特征和右视角高压电线目标特征；对所述高压电线目标特征对进行滤出噪声和目标增强处理，并根据不同的特征区域，将处理后的所述左视角高压电线目标特征分割成数个左匹配单元，以及，将处理后的所述右视角高压电线目标特征分割成数个右匹配单元；

所述立体匹配单元23用于将对应相同特征区域的所述左匹配单元和所述右匹配单元进行立体匹配，得到立体匹配信息；

所述三维建模单元24用于根据所述立体匹配信息进行三维重建，根据所得到的立体图像对包含的深度信息，得到高压电线的距离；

优选地，所述双目摄像机采用广视角摄像头，具有探测范围广和小体积的探测优势，所以可以很方便地将其安装在高压作业人员的安全帽之上；高压作业人员在现场作业时，本系统可实时获取作业人员视角内所有高压电线的距离；进一步优选地，所述双目摄像机采用OV7725摄像头模组。

优选地，所述FPGA数据处理模块2采用EP4CE6E22C8N芯片。

优选地，所述系统还包括SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory，同步动态随机存储器)图像存储模块3和EPCS4(Erasable programmable configurable serial，串行存贮器)串行配置模块4，所述SDRAM图像存储模块3和所述EPCS4串行配置模块4分别与所述FPGA数据处理模块2连接；

所述SDRAM图像存储模块3用于实时存储图像数据信息；所述图像数据信息包括预处理前、后的所述高压电线的图像对、所述立体匹配信息以及所述高压电线的深度信息；

所述EPCS4串行配置模块4用于对所述图像数据信息进行备份。需要说明的是，所述EPCS4串行配置模块4主要是对FPGA数据处理模块2做片外设置，使其掉电之后数据不丢失；

进一步优选地，所述SDRAM图像存储模块3采用三星公司的MT47H32M16CC-3存储器。

优选地，所述系统还包括JTAG(Joint Test Action Group,联合测试工作组)模块5，所述JTAG模块5与所述FPGA数据处理模块2连接；

所述JTAG模块5用于对所述FPGA数据处理模块2进行调试。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距系统，包括双目摄像机1和与所述双目摄像机1连接的FPGA数据处理模块2；所述FPGA数据处理模块2包括图像数据获取单元21、图像预处理单元22、立体匹配单元23和三维建模单元24；本高压电线测距系统利用双目摄像机1实时采集某一相同场景下的高压电线的原始图像对，可以使所述高压电线测距系统实时应用于高压作业场合；利用图像信息的可视化特点，采用FPGA数据处理模块2对图像对进行预处理、立体匹配以及三维建模处理，处理过程高速，得到高压电线的深度信息，进而得到高压电线的距离，测距结果精确，克服了传统测距方案的不能识别目标物的不足，所述系统分辨率高、体积小以及结构简单，可用于多场合实时测量。

根据本发明实施例另一方面，提供了一种基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距方法，应用于基于FPGA硬件的高压电线测距系统，所述系统包括双目摄像机、FPGA数据处理模块、SDRAM图像存储模块、EPCS4串行配置模块和JTAG模块，所述双目摄像机、所述FPGA数据处理模块、所述SDRAM图像存储模块、所述EPCS4串行配置模块和所述JTAG模块分别与所述FPGA数据处理模块连接，所述方法包括：

步骤S1、获取高压电线的图像对,所述图像对包括左视角图像和右视角图像；

步骤S2、对所述图像对进行预处理；

步骤S3、对预处理后的图像对进行立体匹配，得到立体匹配信息；

优选地，利用标准尺度不变特征变换(Scale-Invariant Feature Transform，SIFT)的特征匹配算法实现图像的立体匹配。立体匹配是根据特征提取后获得的数据，建立特征之间的对应关系，将同一个空间物理点在不同图像中的映像点对应起来，由此得到相应的视差图像。

步骤S4、根据所述立体匹配信息进行三维重建，根据所得到的立体图像对包含的深度信息，得到高压电线的距离。

优选地，利用标准欧氏重建的算法，根据所述立体匹配信息进行三维重建，得到立体图像对，根据所述立体图像对，得到视差图，根据所述视差图得到高压电线的深度信息，从而计算得到高压电线的距离。

进一步，所述方法还包括：

实时存储图像数据信息；所述图像数据信息包括预处理前、后的所述高压电线的图像对、所述立体匹配信息以及所述高压电线的深度信息；

并对所述图像数据信息进行备份。需要说明的是所述备份为了使数据在掉电之后不丢失。

进一步，所述方法还包括，利用所述双目摄像机采集高压电线的原始图像对，所述原始图像对包括左视角原始图像和右视角原始图像。

进一步，所述步骤S1、获取高压电线的图像对之前，所述方法还包括，根据所述原始图像对对所述双目摄像机进行标定。

优选地，利用Z Zhang的平面模型两步法标定原理对左右两个摄像机的光轴平行和等高的标定；通过获取基线、单应性矩阵、相机内外参数、畸变系数，对相机进行标定，提高高压电线深度信息获取的精度。

进一步，所述根据所得到的立体图像对包含的深度信息，得到高压电线的距离具体为，根据所得到的立体图像对包含的深度信息计算得到一组距离值，于所述一组距离值中选择最小距离值。

由图2可知，本发明实施例提供的基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距方法中，所述步骤S2、对所述图像对进行预处理进一步包括，

步骤S201、对所述图像对进行极线校正，并对校正后的图像对提取高压电线目标特征对；所述高压电线目标特征对包括左视角高压电线目标特征和右视角高压电线目标特征；

优选地，使用标准Hartley算法对所述图像对进行极线校正。

步骤S202、对所述高压电线目标特征对进行滤出噪声和目标增强处理；

优选地，利用改进的中值滤波算法对高压电线目标特征对进行滤出噪声处理；

优选地，利用多子直方图对高压电线目标特征对进行目标增强处理。

步骤S203、根据不同的特征区域，将滤出噪声和目标增强处理后的所述左视角高压电线目标特征分割成数个左匹配单元，以及，将处理后的所述右视角高压电线目标特征分割成数个右匹配单元。

由以上技术方案可知，本发明实施例提供的基于FPGA硬件和双目视觉的高压电线测距方法，应用于基于FPGA硬件的高压电线测距系统，所述系统包括双目摄像机、FPGA数据处理模块、SDRAM图像存储模块、EPCS4串行配置模块和JTAG模块，所述方法包括：获取高压电线的图像对,所述图像对包括左视角图像和右视角图像；对所述图像对进行预处理；将对应相同特征区域的左匹配单元和右匹配单元进行立体匹配，得到立体匹配信息；根据所述立体匹配信息进行三维重建，根据所得到的立体图像对包含的深度信息，得到高压电线的距离。本高压电线测距方法实时采集某一相同场景下的高压电线的原始图像对，可以实时应用于高压作业场合；利用图像信息的可视化特点，对获取的图像对进行预处理、立体匹配以及三维建模处理，处理过程高速，得到高压电线的深度信息，进而得到高压电线的距离，测距结果精确，克服了传统测距方案的不能识别目标物的不足，所述方法分辨率高，可用于多场合实时测量。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。