一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定方法和系统与流程

1.本发明属于摄像机参数设定技术领域，具体涉及一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定方法和系统。


背景技术：

2.目前复杂环境下输电线运维智能监测变的更加重要，传统的输电线运维需要人工巡线，耗时又耗力。随着城市建设规模不断扩大，社会生产和人们生活对电力能源需求量增大，也对输配电系统运行稳定性提出了更高的要求。智能电网建设是现代化建设的重要一环，对于经济的快速稳定发展具有现实意义。配电自动化系统的性能较为优越，是促进配电网运行朝着自动化与智能化方向发展的关键。
3.针对输电线智能监控，越来越多采用单目、双目甚至多目摄像头来实时获取输电线的状态信息。双目摄像机可以获取输电线的三维信息，并且相对多目摄像机硬件成本比较低，相对单目不需要建立大量的数据库去获取信息。但在跨航道等复杂环境下双目摄像机参数如何确定来满足输电线路监测要求是一个难题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定方法和系统，旨在解决跨航道等复杂环境下利用双目摄像机监测输电线路参数难以确定的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明提供以下技术方案：
6.第一方面，本发明提供了一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定方法，包括：
7.搭建一个基于双目摄像机的输电线三维信息小型模拟实验平台，小型模拟实验平台至少包括双目摄像机、模拟导线和模拟河道；
8.在小型模拟实验平台中通过双目视觉算法来获取模拟导线上特征点的三维信息，并对模拟导线进行三维重建；
9.根据模拟导线上特征点的三维信息，分析双目摄像机与模拟导线之间的距离和双目摄像机的内外参数对模拟导线上特征点的三维信息测量误差的影响，建立摄像机参数设定模型；
10.根据摄像机参数设定模型确定双目摄像机参数与模拟导线特征点的三维信息之间测量误差的比例关系，根据比例关系确定实际场景中双目摄像机相对于输电线的安装位置和参数设定的关系。
11.进一步的，搭建一个基于双目摄像机的输电线三维信息小型模拟实验平台，具体包括：
12.利用模拟导线和模拟河道模拟实际场景中的跨航道输电线，设置模拟河道的宽度；
13.利用两个相同型号的相机构建光轴平行的双目立体视觉系统，两个相机安装在同
一底座上，设置双目摄像机的安装高度、距离模拟导线的安装距离、焦距、基线距离以及分辨率参数，并控制双目摄像机的基线与沿模拟河道水平方向的夹角为θ
°
。
14.进一步的，建立摄像机参数设定模型的具体过程如下：
15.根据小型模拟实验平台的初始设置确定双目摄像机与模拟导线之间的安装距离、双目摄像机的内外参数以及模拟导线上特征点的三维信息的初始值；
16.分别改变双目摄像机距离模拟导线之间的安装距离以及双目摄像机的基线与沿模拟河道水平方向的夹角，获取对应的模拟导线上特征点的三维信息测量误差的变化情况；
17.根据测量误差的变化情况分别建立基于安装距离的第一摄像机参数设定模型如下：
[0018][0019]
式中，δz为小型试验平台中双目摄像机与模拟河道对岸杆塔之间的距离，b为基线距离，f为双目摄像机的焦距大小，d为相元尺寸的大小，z为实际环境中双目摄像机距河道对岸杆塔的距离；
[0020]
以及基于夹角的第二摄像机参数设定模型如下：
[0021][0022]
式中，θ为双目摄像机的基线与沿所述模拟河道水平方向的夹角，w为所述模拟河道的宽度，l为双目摄像机距离距离所述模拟导线的垂直距离。
[0023]
进一步的，根据比例关系确定实际场景中双目摄像机相对于输电线的安装位置和参数设定的关系，具体包括：
[0024]
依据安装距离改变时测量误差的变化情况以及设定误差限确定安装距离的最大值，根据最大安装距离与模拟河道的宽度的比例关系以及实际场景中航道的宽度确定双目摄像机的实际安装距离以及内外参数；
[0025]
基于第二摄像机参数设定模型，代入实际安装距离和实际场景中航道的宽度，得到双目摄像机相对于输电线的实际安装夹角。
[0026]
进一步的，在小型模拟实验平台中通过双目视觉算法来获取模拟导线上特征点的三维信息，并对模拟导线进行三维重建，具体包括：
[0027]
通过采用matlab中的张正友标定算法获取棋盘标定板图像，进而获取双目摄像机的内外参数；
[0028]
使用bouguet立体校正算法校正双目摄像机的左右图像上模拟导线的特征点行对齐；
[0029]
根据校正后的模拟导线的左右图像，采用sad立体匹配算法进行特征点的匹配，获取相应的视差图，实现模拟导线的三维重建。
[0030]
第二方面，本发明提供了一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定系统，包括：
[0031]
模拟平台搭建单元，用于搭建一个基于双目摄像机的输电线三维信息小型模拟实验平台，小型模拟实验平台至少包括双目摄像机、模拟导线和模拟河道；
[0032]
三维信息获取单元，用于在小型模拟实验平台中通过双目视觉算法来获取模拟导线上特征点的三维信息，并对模拟导线进行三维重建；
[0033]
模型建立单元，用于根据模拟导线上特征点的三维信息，分析双目摄像机与模拟导线之间的距离和双目摄像机的内外参数对模拟导线上特征点的三维信息测量误差的影响，建立摄像机参数设定模型；
[0034]
参数设定单元，用于根据摄像机参数设定模型确定双目摄像机参数与模拟导线特征点的三维信息之间测量误差的比例关系，根据比例关系确定实际场景中双目摄像机相对于输电线的安装位置和参数设定的关系。
[0035]
进一步的，在模拟平台搭建单元中，搭建一个基于双目摄像机的输电线三维信息小型模拟实验平台，具体包括：
[0036]
利用模拟导线和模拟河道模拟实际场景中的跨航道输电线，设置模拟河道的宽度；
[0037]
利用两个相同型号的相机构建光轴平行的双目立体视觉系统，两个相机安装在同一底座上，设置双目摄像机的安装高度、距离模拟导线的安装距离、焦距、基线距离以及分辨率参数，并控制双目摄像机的基线与沿模拟河道水平方向的夹角为θ
°
。
[0038]
进一步的，在模型建立单元中，建立摄像机参数设定模型的具体过程如下：
[0039]
根据小型模拟实验平台的初始设置确定双目摄像机与模拟导线之间的安装距离、双目摄像机的内外参数以及模拟导线上特征点的三维信息的初始值；
[0040]
分别改变双目摄像机距离模拟导线之间的安装距离以及双目摄像机的基线与沿模拟河道水平方向的夹角，获取对应的模拟导线上特征点的三维信息测量误差的变化情况；
[0041]
根据测量误差的变化情况分别建立基于安装距离的第一摄像机参数设定模型如下：
[0042][0043]
式中，δz为小型试验平台中双目摄像机与模拟河道对岸杆塔之间的距离，b为基线距离，f为双目摄像机的焦距大小，d为相元尺寸的大小，z为实际环境中双目摄像机距河道对岸杆塔的距离；
[0044]
以及基于夹角的第二摄像机参数设定模型如下：
[0045][0046]
式中，θ为双目摄像机的基线与沿所述模拟河道水平方向的夹角，w为所述模拟河道的宽度，l为双目摄像机距离距离所述模拟导线的垂直距离。
[0047]
进一步的，在参数设定单元中，根据比例关系确定实际场景中双目摄像机相对于输电线的安装位置和参数设定的关系，具体包括：
[0048]
依据安装距离改变时测量误差的变化情况以及设定误差限确定安装距离的最大值，根据最大安装距离与模拟河道的宽度的比例关系以及实际场景中航道的宽度确定双目摄像机的实际安装距离以及内外参数；
[0049]
基于第二摄像机参数设定模型，代入实际安装距离和实际场景中航道的宽度，得
到双目摄像机相对于输电线的实际安装夹角。
[0050]
进一步的，在三维信息获取单元中，在小型模拟实验平台中通过双目视觉算法来获取模拟导线上特征点的三维信息，并对模拟导线进行三维重建，具体包括：
[0051]
通过采用matlab中的张正友标定算法获取棋盘标定板图像，进而获取双目摄像机的内外参数；
[0052]
使用bouguet立体校正算法校正双目摄像机的左右图像上模拟导线的特征点行对齐；
[0053]
根据校正后的模拟导线的左右图像，采用sad立体匹配算法进行特征点的匹配，获取相应的视差图，实现模拟导线的三维重建。
[0054]
综上，本发明提供了一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定方法和系统，通过搭建一个基于双目摄像机的输电线三维信息小型模拟实验平台，在该模拟实验平台中获取模拟导线的三维信息，然后改变双目摄像机的安装距离以及安装夹角，根据对应的三维信息的测量误差进行分析，建立对应的摄像机参数设定模型，根据该模型确定双目摄像机安装参数与实际场景中航道宽度的比例关系，从而代入相关数据得到实际场景中双目摄像机的安装位置以及参数设定数据。本发明通过搭建模拟实验平台，利用双目摄像机安装距离和安装夹角改变与对应测量误差的比例关系确定实际场景中的双目摄像机的内外参数设定，解决了实际场景中双目摄像机参数设定不方便的问题。
附图说明
[0055]
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，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0056]
图1为本发明实施例提供的一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定方法的流程示意图；
[0057]
图2为本发明实施例提供的实际场景中双目摄像机的布置示意图；
[0058]
图3为本发明实施例提供的双目摄像机和输电线之间俯视视角下的位置关系示意图。
具体实施方式
[0059]
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0060]
目前复杂环境下输电线运维智能监测变的更加重要，传统的输电线运维需要人工巡线，耗时又耗力。随着城市建设规模不断扩大，社会生产和人们生活对电力能源需求量增大，也对输配电系统运行稳定性提出了更高的要求。智能电网建设是现代化建设的重要一环，对于经济的快速稳定发展具有现实意义。配电自动化系统的性能较为优越，是促进配电
网运行朝着自动化与智能化方向发展的关键。
[0061]
针对输电线智能监控，越来越多采用单目、双目甚至多目摄像头来实时获取输电线的状态信息。双目摄像机可以获取输电线的三维信息，并且相对多目摄像机硬件成本比较低，相对单目不需要建立大量的数据库去获取信息。但在跨航道等复杂环境下双目摄像机参数如何确定来满足输电线路监测要求是一个难题。
[0062]
基于此，本发明提供一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定方法和系统，旨在解决跨航道等复杂环境下利用双目摄像机监测输电线路参数难以确定的问题。
[0063]
以下对本发明的一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定方法的实施例进行详细的介绍。
[0064]
请参阅图1，本实施例提供一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定方法，包括：
[0065]
s100：搭建一个基于双目摄像机的输电线三维信息小型模拟实验平台，小型模拟实验平台至少包括双目摄像机、模拟导线和模拟河道。
[0066]
在一个可选的实施例中，搭建一个基于双目摄像机的输电线三维信息小型模拟实验平台包括利用模拟导线和模拟河道模拟实际场景中的跨航道输电线，设置模拟河道的宽度；利用两个相同型号的相机构建光轴平行的双目立体视觉系统，两个相机安装在同一底座上，设置双目摄像机的安装高度、距离模拟导线的安装距离、焦距、基线距离以及分辨率参数，并控制双目摄像机的基线与沿模拟河道水平方向的夹角为θ
°
。
[0067]
图2为某一实际场景中的双目摄像机布置示意图，其中，跨航道的输电线长度为500m，本实施例中其余步骤均以该图所示场景为例进行介绍。
[0068]
根据该实际场景搭建模拟实验平台，设置双目摄像头距杆塔处的距离为lm，双目摄像机距离地面高度为0.6m。采用双目摄像机焦距f为4mm，基线距离b为120mm，双目摄像机分辨率为640*480，并控制双目摄像机基线与沿河道水平方向的夹角为θ
°
，采用模拟导线来模拟河道上的输电线，模拟河道的宽度w为1m。双目摄像机与输电线之间的安装位置关系如图3。
[0069]
s200：在小型模拟实验平台中通过双目视觉算法来获取模拟导线上特征点的三维信息，并对模拟导线进行三维重建。
[0070]
通过双目视觉算法获取三维信息包括首先采用matlab中自带的张正友标定算法通过获取棋盘标定板图像来获取双目摄像机的内外参数；然后根据得到的双目摄像机内外参数，使用bouguet立体校正算法来来保证左右图像上输电线的特征点行对齐；最后根据校正后的输电线左右图像对其使用sad立体匹配算法，来实现输电线图像对特征点的快速匹配，进而获取相应的视差图，来实现输电线的三维重建。
[0071]
s300：根据模拟导线上特征点的三维信息，分析双目摄像机与模拟导线之间的距离和双目摄像机的内外参数对模拟导线上特征点的三维信息测量误差的影响，建立摄像机参数设定模型。
[0072]
需要说明的是，内参数包括左右相机焦距、象元尺寸大小、左右相机畸变参数以及图像中心点像素坐标。外参数包括平移矩阵和旋转矩阵，即左右摄像机之间的位置关系。
[0073]
以将测量误差控制在10％以内进行分析。为了分析双目摄像机沿河道水平方向处距输电线不同距离对输电线三维信息测量影响，开展按双目摄像机沿河道水平方向处距离
输电线5个不同距离对危险船只与输电线最短距离测量影响研究，并总结出相应的影响规律。根据分析确定当双目摄像机沿河道水平方向处距离输电线1m时，测量误差在10％以内。
[0074]
分析双目摄像机不同的视角对危险船只与输电线最短距离测量影响。已知河道宽为1m，即为w。双目摄像机距离杆塔的距离为1m。当双目摄像机基线与河道夹角成θ
°
，开展了5个不同的双目摄像机位置视角对最短距离测量影响研究，并总结出相应的影响规律。
[0075]
模拟河道宽为1m，实际河道宽度在500m范围内，以500m为实际河道宽度，跟实验模拟的河道呈1：500比例。首先根据双目摄像机沿河道水平方向处距输电线不同距离对输电线三维信息测量影响的分析，得知理论上z方向(z方向是双目摄像机指向河道对岸杆塔的方向，即双目摄像机与杆塔2之间的距离，这样设置的目的在于获取更多的图像视角)距离对z轴处的测量误差影响较大，可以主要对z方向相对误差进一步分析，得如下公式：
[0076][0077]
式中，δz为小型试验平台中双目摄像机与模拟河道对岸杆塔之间的距离，b为基线距离(即左右相机之间的距离)，f为双目摄像机的焦距大小，d为相元尺寸的大小(与相机分辨率成反比)，z为实际环境中双目摄像机距河道对岸杆塔的距离。
[0078]
由公式可知，通过小型实验平台得到最短距离的测量误差为10％，已知小型实验平台所使用的双目相机焦距f为4mm，基线距离b为120mm，双目相机分辨率为30万像素(像元大小p为4.9微米*4.9微米)，双目摄像机距离杆塔的距离为1m,河道宽为1m,z为双目摄像机测量的输电线距离。
[0079]
在实际场景中，假设双目摄像机距离杆塔为500m，河道宽为500m时，双目摄像机到输电线的距离z也扩大500倍。为了保证z的相对误差也在10％，基线距离b扩大10倍即1.2m，b扩大10倍；焦距f扩大10倍即40mm，f扩大10倍；双目摄像机分辨率扩大25倍即750万像素，像元大小p扩大0.2倍，理论上可得双目摄像机在距离杆塔500m以内最短距离测量误差在10％以内。
[0080]
根据双目摄像机与河道之间的位置关系，当双目摄像机的基线与杆塔和双目摄像机的连线垂直时可得出合适的θ角，得到如下公式：
[0081][0082]
式中，θ为双目摄像机的基线与沿所述模拟河道水平方向的夹角，w为所述模拟河道的宽度，l为双目摄像机距离距离所述模拟导线的垂直距离(可认为是双目摄像机距离河道同侧杆塔的距离，即双目摄像机与杆塔1之间的距离)。
[0083]
已知双目摄像机安装在沿河道左侧的杆塔500m处，即为l。为满足尽可能使双目摄像机获得河道中的船只与输电线的完整图像，已知河道宽为500m,即为w。由上述公式可得，双目摄像机与河道水平方向的夹角成45
°
时可以获取危险船只和输电线的更多图像信息。
[0084]
s400：根据摄像机参数设定模型确定双目摄像机参数与模拟导线特征点的三维信息之间测量误差的比例关系，根据比例关系确定实际场景中双目摄像机相对于输电线的安装位置和参数设定的关系。
[0085]
根据以上方法理论上可以有效的得出双目摄像机参数与输电线特征点的三维信息测量误差的比例关系，并能给出实际场景中双目摄像机参数的设定、安装及布置。根据实
际场景中输电线长度(或航道宽度)确定实际双目摄像及沿河道水平方向的安装距离，根据该安装距离和实际航道宽度再确定双目摄像机的安装夹角。
[0086]
本实施例提供了一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定方法，通过搭建一个基于双目摄像机的输电线三维信息小型模拟实验平台，在该模拟实验平台中获取模拟导线的三维信息，然后改变双目摄像机的安装距离以及安装夹角，根据对应的三维信息的测量误差进行分析，建立对应的摄像机参数设定模型，根据该模型确定双目摄像机安装参数与实际场景中航道宽度的比例关系，从而代入相关数据得到实际场景中双目摄像机的安装位置以及参数设定数据。本发明通过搭建模拟实验平台，利用双目摄像机安装距离和安装夹角改变与对应测量误差的比例关系确定实际场景中的双目摄像机的内外参数设定，解决了实际场景中双目摄像机参数设定不方便的问题。
[0087]
以上是对本发明的一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定方法的实施例进行的详细介绍，以下将对本发明的一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定系统的实施例进行详细的介绍。
[0088]
本实施例提供了一种基于实验的双目摄像机参数比例关系确定系统，包括：模拟平台搭建单元、三维信息获取单元、模型建立单元和参数设定单元。
[0089]
在本实施例中，模拟平台搭建单元用于搭建一个基于双目摄像机的输电线三维信息小型模拟实验平台，小型模拟实验平台至少包括双目摄像机、模拟导线和模拟河道。
[0090]
具体的，搭建一个基于双目摄像机的输电线三维信息小型模拟实验平台，具体包括利用模拟导线和模拟河道模拟实际场景中的跨航道输电线，设置模拟河道的宽度；利用两个相同型号的相机构建光轴平行的双目立体视觉系统，两个相机安装在同一底座上，设置双目摄像机的安装高度、距离模拟导线的安装距离、焦距、基线距离以及分辨率参数，并控制双目摄像机的基线与沿模拟河道水平方向的夹角为θ
°
。
[0091]
在本实施例中，三维信息获取单元用于在小型模拟实验平台中通过双目视觉算法来获取模拟导线上特征点的三维信息，并对模拟导线进行三维重建。
[0092]
具体的，对模拟导线进行三维重建，具体包括：
[0093]
通过采用matlab中的张正友标定算法获取棋盘标定板图像，进而获取双目摄像机的内外参数；
[0094]
使用bouguet立体校正算法校正双目摄像机的左右图像上模拟导线的特征点行对齐；
[0095]
根据校正后的模拟导线的左右图像，采用sad立体匹配算法进行特征点的匹配，获取相应的视差图，实现模拟导线的三维重建。
[0096]
在本实施例中，模型建立单元用于根据模拟导线上特征点的三维信息，分析双目摄像机与模拟导线之间的距离和双目摄像机的内外参数对模拟导线上特征点的三维信息测量误差的影响，建立摄像机参数设定模型。
[0097]
具体的，建立摄像机参数设定模型的具体过程如下：
[0098]
根据小型模拟实验平台的初始设置确定双目摄像机与模拟导线之间的安装距离、双目摄像机的内外参数以及模拟导线上特征点的三维信息的初始值；
[0099]
分别改变双目摄像机距离模拟导线之间的安装距离以及双目摄像机的基线与沿模拟河道水平方向的夹角，获取对应的模拟导线上特征点的三维信息测量误差的变化情
况；
[0100]
根据测量误差的变化情况分别建立基于安装距离的第一摄像机参数设定模型如下：
[0101][0102]
式中，δz为小型试验平台中双目摄像机与模拟河道对岸杆塔之间的距离，b为基线距离，f为双目摄像机的焦距大小，d为相元尺寸的大小，z为实际环境中双目摄像机距河道对岸杆塔的距离；
[0103]
以及基于夹角的第二摄像机参数设定模型如下：
[0104][0105]
式中，θ为双目摄像机的基线与沿所述模拟河道水平方向的夹角，w为所述模拟河道的宽度，l为双目摄像机距离距离所述模拟导线的垂直距离。
[0106]
在本实施例中，参数设定单元用于根据摄像机参数设定模型确定双目摄像机参数与模拟导线特征点的三维信息之间测量误差的比例关系，根据比例关系确定实际场景中双目摄像机相对于输电线的安装位置和参数设定的关系。
[0107]
具体的，根据比例关系确定实际场景中双目摄像机相对于输电线的安装位置和参数设定的关系，具体包括：
[0108]
依据安装距离改变时测量误差的变化情况以及设定误差限确定安装距离的最大值，根据最大安装距离与模拟河道的宽度的比例关系以及实际场景中航道的宽度确定双目摄像机的实际安装距离以及内外参数；
[0109]
基于第二摄像机参数设定模型，代入实际安装距离和实际场景中航道的宽度，得到双目摄像机相对于输电线的实际安装夹角。
[0110]
需要说明的是，本实施例提供的比例关系确定系统用于实现前述实施例的比例关系确定方法，各单元的具体设置以完整实现该方法为准，在此不再赘述。
[0111]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。