利用移動靶標的變壓器分區標定方法
【專利摘要】本發明公開利用移動靶標的變壓器分區標定方法，借助于精密運動控制系統帶動單個圓形LED光靶標在變壓器空間移動；利用CCD相機獲取光靶標圖像并實時傳輸到計算機；使用圖像處理技術對光靶標圖像進行處理，獲得靶標中心在像平面的位置坐標；將像平面上的點按照“回”字形分成合適的區域；利用最小二乘法對各空間各個區域的圖像中心坐標進行標定，即對變壓器截面的中央坐標進行標定。本發明采用基于CMM移動靶標的方式對變壓器進行界面區分，無需制作精度要求高的標定模板，而是使用三坐標測量機帶動LED光靶標進行移動，大大降低了精確空間三維點集獲取的難度，同時對像平面上的點分區域進行標定計算，能夠有效提高相機的標定精度。
【專利說明】利用移動靶標的變壓器分區標定方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于變壓器測試【技術領域】，更加具體地說，涉及移動靶標的使用方法，即利用移動靶標的變壓器分區標定方法。
【背景技術】
[0002]在輸變電【技術領域】中，變壓器是常用的電氣部件，對整個終端輸變電的穩定性有重要意義，對其研究往往集中在其內部結構、性質以及與整個輸變電網絡的配合程度，以便更好地發揮其性能，往往忽略有關變壓器位置方面的測定，即在變壓器日常運行狀態下或者在外界影響的狀態下，位置變化的標定。這個問題看似很小，卻能夠在一定程度上影響輸變電網絡的穩定運行。在圖像測量過程以及計算機視覺應用中，為確定空間物體表面某點的三坐標信息與其在圖像中對應點之間的相互關系，必須建立相機成像的幾何模型，這些幾何模型參數就是相機的內外部參數。在大多數條件下這些參數必須通過實驗與計算才能得到，這個求解參數的過程就稱之為相機標定。相機標定是計算機視覺應用中一個基礎而關鍵的技術，其標定結果的精度及算法的穩定性直接影響相機工作產生結果的準確性。因此，做好相機標定是做好后續工作的前提，提高標定精度是科研工作的重點所在。相機標定算法根據主要分為傳統相機標定法、主動視覺相機標定方法和相機自標定法。
[0003]在三類相機標定方法中，傳統標定方法精度最高，并且魯棒性也較好，其中傳統相機標定法中基于徑向準直約束(RAC)的Tsai兩步法考慮了相機的畸變模型，通過計算徑向畸變參數對相機進行畸變校正，大大提高了相機標定的精度，自問世以來得到人們的青睞。但由于需要高精度的標定模板，在實際應用中仍有較大的限制。
【發明內容】
[0004]本發明的技術目的在于克服現有技術的不足，利用相機標定方法對變壓器采集的形狀(或者位置)信息進行標定，以求能夠簡單快捷且高精度的實現參數標定。
[0005]本發明的目的通過下述技術方案予以實現:
[0006]利用移動靶標的變壓器分區標定方法，按照下述步驟進行:
[0007](I)借助于精密運動控制系統帶動單個圓形LED光靶標在變壓器空間移動；
[0008](2)利用CCD相機獲取光靶標圖像并實時傳輸到計算機；
[0009](3)使用圖像處理技術對光靶標圖像進行處理，獲得靶標中心在像平面的位置坐標；
[0010](4)將像平面上的點按照“回”字形分成合適的區域；
[0011](5)利用最小二乘法對各空間各個區域的圖像中心坐標進行標定，即對變壓器截面的中央坐標進行標定。
[0012]下面結合上述步驟具體說明本方案如下:
[0013](I)第一步:精密運動控制系統為Brown-Sharp三坐標測量機(CMM)，并與計算機通過RS232接口相連接，計算機可以控制CMM在X，Y，Z三方向上移動，LED光靶標固定在CMM的測量臂上，通過計算機軟件可以實時讀取并存儲測量臂尖端在CMM坐標系(即世界坐標系)下的坐標值。CCD相機固定于光靶標前方，并且不會影響CMM的移動；
[0014](2)第二步:相機攝取圖像并通過千兆網線實時地傳輸到計算機。CMM呈梯臺形移動，距離相機近的截面面積小，距離遠的截面面積大，這樣能夠保證任何截面上的點落在像平面上時，能夠充分布滿像平面范圍，有助于更精確的進行標定計算；
[0015](3)第三步:計算機對圖像處理過程包括圖像濾波、閾值分割、黑白翻轉、輪廓跟蹤和最小二乘橢圓擬合，最終獲得光靶標中心在像平面中的坐標，并與其在CMM坐標系下的坐標同時進行存儲；
[0016](4)對空間點集按照在像平面成像位置分成幾個區域，采用回字形對像平面進行分區域；
[0017](5)利用最小二乘法對各空間各個區域的圖像中心坐標進行標定，即對變壓器截面的中央坐標進行標定。
[0018]如說明書附圖所示的徑向準直約束模型，Oc-UcVcWc為相機坐標系，O1-XY為像平面坐標系，ow_xwywzw為世界坐標系，在此標定模型中，即為CMM坐標系。點Q(x，y, z)為世界坐標系的任意一點，設點Q(x，1，z)在相機坐標系下的坐標為(u，V, w)，根據兩者的坐標變換關系，可知:
Γ ?X
U
[0019]V = RT.^
Z
W⑴
_1 _
[0020]其中R和T分別為旋轉和平移矩陣。旋轉平移矩陣R和T可以通過相機透視變換模型并結合文獻(Yuan J S-C, Ageneral photogrammetric method for determiningobject posit1n and orientat1n, IEEE Trans on Robotics and Automat1n,1989,5(2):129-142)中的牛頓-高斯法求解得到。
[0021]設到第i個位置時，測試點Q在相機坐標系下的實際坐標為(Ui，Vi，Wi)T，理想值為(U，V, w)T，則可得最優化目標函數:
[0022]g (X) =Σα-)2 (2)
[0023]其中(.γ,少’，ζ,ιι,ν,w) = ^Jiu1-Li)2 +(Vj — V’)」+ (W1 — V)優化變量 X = (x,y,z,u,v,
w)，即測試點Q在光筆坐標系和相機坐標系下的坐標。
[0024]系統的非線性方程組為:
[0025]fi (X，γ, z，U，V，w) =0i = l，2，L, η (3)
[0026]可使用最小二乘解的廣義逆法求解此方程組，即可得到相應的坐標(u，v，w)T、(X，y, ζ)τ。結合上述步驟進一步說明本方案。
[0027]由于每幅圖像可以得到3個非線性方程，優化變量X有6個未知數，因此X的初值可以通過兩幅以上的圖像計算得到；采集η幅圖像后，即可以得到含有η個方程的非線性方程組fi (X，y，ζ, u, ν, w) = Oi = 1,2, L, η,利用最小二乘解的廣義逆法求解此方程組；最后進行收斂判斷，相鄰兩次最優解的差值絕對值< 0.01或者達到10_6數量級時，停止迭代計算，將最后一次得到的優化變量X中的U，y, ζ)τ作為測試點的坐標值，即可得到該區域的圖像中心坐標，即變壓器截面的中央坐標值。
[0028]本發明具有以下技術效果:本發明采用基于CMM移動靶標的方式對變壓器進行界面區分，無需制作精度要求高的標定模板，而是使用三坐標測量機帶動LED光靶標進行移動，大大降低了精確空間三維點集獲取的難度，同時對像平面上的點分區域進行標定計算，能夠有效提聞相機的標定精度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0029]圖1是測試儀器在變壓器內部空間移動范圍示意圖。
[0030]圖2是“回”字型分區域的方式。
[0031]圖3是透視投影原理圖，是求取物像旋轉變換矩陣的根據。
【具體實施方式】
[0032]下面結合具體實施例進一步說明本發明的技術方案。
[0033]第一步:精密運動控制系統為Brown-Sharp三坐標測量機(CMM)，并與計算機通過RS232接口相連接，計算機可以控制CMM在X，Y，Z三方向上移動，LED光靶標固定在CMM的測量臂上，通過計算機軟件可以實時讀取并存儲測量臂尖端在CMM坐標系(即世界坐標系)下的坐標值。CCD相機固定于光靶標前方，并且不會影響CMM的移動；
[0034]第二步:相機攝取圖像并通過千兆網線實時地傳輸到計算機。CMM呈梯臺形移動，距離相機近的截面面積小，距離遠的截面面積大，這樣能夠保證任何截面上的點落在像平面上時，能夠充分布滿像平面范圍，有助于更精確的進行標定計算；
[0035]第三步:計算機對圖像處理過程包括圖像濾波、閾值分割、黑白翻轉、輪廓跟蹤和最小二乘橢圓擬合，最終獲得光靶標中心在像平面中的坐標，并與其在CMM坐標系下的坐標同時進行存儲；
[0036]對空間點集按照在像平面成像位置分成幾個區域，采用回字形對像平面進行分區域；
[0037]利用最小二乘法對各空間各個區域的圖像中心坐標進行標定，即對變壓器截面的中央坐標進行標定。
[0038]在空間內的同一區分區域中，通過6幅圖像計算中心的坐標初值為(77.152，-21.925，-117.866);繼續采集一幅圖像并傳輸到計算機，根據相機坐標系和理想像平面坐標系的投射投影關系，以及中心在相機坐標系和光筆坐標系下不變性，求取中心在光筆坐標系下的坐標為(76.411,-20.928,-118.412)。將此坐標值和初值相減去絕對值為(0.753，1.017，0.547)，發現不能滿足收斂要求(相鄰兩次最優解的差值絕對值< 0.01或者達到10_6數量級)，則繼續采集圖像。每增加一幅圖像，就進行一次迭代計算最優化變量X = (X, y, z, u, V, w),并做一次收斂判斷；通過207幅圖像計算后,得到最后兩次的坐標值分別為:(75.103,-24.258,-120.121)和(75.104,-24.260,-120.123)，進行收斂判斷滿足要求，終止迭代計算，完成標定工作，將(75.104，-24.260，-120.123)作為變壓器中心位置的坐標。
[0039]以上對本發明做了示例性的描述，應該說明的是，在不脫離本發明的核心的情況下，任何簡單的變形、修改或者其他本領域技術人員能夠不花費創造性勞動的等同替換均落入本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.利用移動靶標的變壓器分區標定方法，其特征在于，按照下述步驟進行: (1)借助于精密運動控制系統帶動單個圓形LED光靶標在變壓器空間移動； (2)利用CCD相機獲取光靶標圖像并實時傳輸到計算機； (3)使用圖像處理技術對光靶標圖像進行處理，獲得靶標中心在像平面的位置坐標； (4)將像平面上的點按照“回”字形分成合適的區域； (5)利用最小二乘法對各空間各個區域的圖像中心坐標進行標定，即對變壓器截面的中央坐標進行標定；其中 在第一步中:精密運動控制系統為Brown-Sharp三坐標測量機(CMM),并與計算機通過RS232接口相連接，計算機可以控制CMM在X，Y，Z三方向上移動，LED光靶標固定在CMM的測量臂上，通過計算機軟件可以實時讀取并存儲測量臂尖端在CMM坐標系(即世界坐標系)下的坐標值。CCD相機固定于光靶標前方，并且不會影響CMM的移動； 在第二步中:相機攝取圖像并通過千兆網線實時地傳輸到計算機，CMM呈梯臺形移動，距離相機近的截面面積小，距離遠的截面面積大，這樣能夠保證任何截面上的點落在像平面上時，能夠充分布滿像平面范圍，有助于更精確的進行標定計算； 在第三步中:計算機對圖像處理過程包括圖像濾波、閾值分割、黑白翻轉、輪廓跟蹤和最小二乘橢圓擬合，最終獲得光靶標中心在像平面中的坐標，并與其在CMM坐標系下的坐標同時進行存儲； 在第四步中，對空間點集按照在像平面成像位置分成幾個區域，采用回字形對像平面進行分區域； 在第五步中，利用最小二乘法對各空間各個區域的圖像中心坐標進行標定，即對變壓器截面的中央坐標進行標定。
2.根據權利要求1所述的利用移動靶標的變壓器分區標定方法，其特征在于，在第五步進行最小二乘法判斷時，設點Q(x，1，z)在相機坐標系下的坐標為(U，V, w)，根據兩者的坐標變換關系，可知:Γ ?X U
r -1 V V = RT.zw⑴
I 旋轉平移矩陣R和T可以通過相機透視變換模型并牛頓-高斯法求解得到 設到第i個位置時，測試點Q在相機坐標系下的實際坐標為(Ui^iWi)T,理想值為(u，V，w)T，則可得最優化目標函數: g (X) =Σα)2 (2)
其中./,:(.\%>，，2,"，I.’, Vv) = ^jiu1-1i)2 +(Vi — I.’)2 +(u;.— vv)2 ,優化變量 X= (x, y, z, u, v, w),即測試點Q在光筆坐標系和相機坐標系下的坐標。 系統的非線性方程組為:
fi (x, y, z, u, v, w) = Oi = I, 2, L, η (3) 可使用最小二乘解的廣義逆法求解此方程組，即可得到相應的坐標(u，v，w)T、(χ,γ,ζ)TO
3.根據權利要求1所述的利用移動靶標的變壓器分區標定方法，其特征在于，由于每幅圖像可以得到3個非線性方程，優化變量X有6個未知數，因此X的初值可以通過兩幅以上的圖像計算得到；采集η幅圖像后，即可以得到含有η個方程的非線性方程組A (X，y, z,u，V, w) = Oi = 1,2, L, n，利用最小二乘解的廣義逆法求解此方程組；最后進行收斂判斷，相鄰兩次最優解的差值絕對值< 0.01或者達到10_6數量級時，停止迭代計算，將最后一次得到的優化變量X中的U，y, ζ)τ作為測試點的坐標值，即可得到該區域的圖像中心坐標，即變壓器截面的中央坐標值。
【文檔編號】G06T7/00GK104268854SQ201410465223
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月12日 優先權日:2014年9月12日
【發明者】劉興鵬, 王東海, 王慶彪, 張學強, 牛榮杰, 王永忠, 唐河勛, 高振生, 肖志超, 鄂家興 申請人:國家電網公司, 國網天津寶坻供電有限公司