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1、1三维带电空间安全警示系统三维带电空间安全警示系统技技 术术 说说 明明 书书2目录目录前言.3第一章 三维安全警示系统说明 .41.1 系统工作原理.41.2 系统组成.51.3 系统工作流程.61.4 立体标定模块工作流程 .71.5 立体匹配模块.71.6 系统警戒区域及其报警设置 .9第二章 双目测距设备及其性能参数 .102.1 双目测距设备.102.2 测量设备的性能参数.11第三章 适用环境及其安全须知 .123前言前言三维带电空间安全警示系统是一种基于双目测距原理的立体视觉技术在电力安全生产方面的应用。它主要通过几组双目摄像机获取待监测空间的物体的和设备的空间坐标值，通过与划定
2、的带电设备的空间坐标值实时比较计算。当物体距离三维带电空间的距离小于安全距离时，系统发出警报声，提醒相关人员注意施工安全。4第一章第一章 三维安全警示系统说明三维安全警示系统说明1.1 系统工作原理系统工作原理图 1 双目测距基本原理图如图 1 所示的理想状况，假定左右摄像机的投影中心 OL和 OR在同一水平线上，且成像无畸变，左右图像行严格对准。空间一点P(X,Y,Z)在左右相机的成像点分别为 A 和 B。投影中心 OL和 OR之间的距离为 b，P 到两个相机的投影中心的距离为 Z。点 A 相对于左摄像机的成像平面中心 Ol的横坐标值为 xL，点 B 相对于右摄像机的成像平面中心 Or的横坐
3、标值为 xR。则根据三角形相似原理三角形PAB 相似于三角形 POLOR，则有5（1）LRLRLRABbxxZf O OZbbxx b由公式（1）推出深度的计算公式为（2）LRbf XXZ其中 disparity=XL-XR即为视差。同理可以求出 P 点的 XY 空间坐标8。(3)lbXXdisparity(4)lbYYdisparity其中 Xl和 Yl为物体在左摄像机成像平面中相对于成像中心点的坐标值。以上是系统工作的基本理论依据。实际情况下，双目摄像机成像并不是严格行对准和在同一个水平面上。为此，系统采用立体标定模块通过数学手段将成像平面同一投影到同一水平上和达到严格的行对准效果。同时立
4、体标定模块也计算出了摄像机的内部参数如焦距，中心成像点坐标等相关参数用于下面的深度计算模块。而上述理论依据的视差计算则有立体匹配模块组成，它主要通过半全局匹配模块求得。61.2 系统组成系统组成图 2 系统组成框图三维安全警示系统主要有立体标定模块、立体匹配模块、深度计算模块、安全警戒区域划定模块和报警模块组成。其中立体标定模块的为深度计算模块提供摄像机的内部和外部参数，立体标定模块为立体匹配模块提供无畸变且行严格对准的图像，便于进行极线匹配。立体匹配模块主要计算左右摄像机的重叠区域的视差值为深度计算模块提供视差参数。警戒区域划定和报警模块基于深度计算模块提供的物体的空间坐标建立面方程和进行空
5、间相对欧几里得距离计算用于判断物体到带电立体平面的距离。71.3 系统工作流程系统工作流程左摄像机图像右摄像机图像立体校正输出行对 准无畸变图像半全局匹配算法 求取视差双目测距计算 物体空间坐标坐标转换带电空间划定距离警戒平面的距 离小于安全距离？报警Y YN N带带电电空空 间间划划定定 后后图 3 系统工作流程图系统工作流程如图 3 所示。其中立体校正需要的相关参数由立体标定模块提供。立体标定模块相关计算参数工作等在线下完成。81.4 立体标定模块工作流程立体标定模块工作流程左右摄像机同时读取棋盘格图像求取棋盘内的Harris角点获得亚像素级的Harris角 点,以保证精度利用张正友方法求
6、取焦距和偏移基于Brown的方法求解畸变参数根据左右摄像机单目标定中 得到的每个棋盘格视图的旋 转和平移参数利用LM优化方 法求取右摄像机相对于左摄 像机的外部参数R和T利用Bouguet校正方法对左右摄像机的 图像进行校正映射得到行对准图像图 4 立体标定模块工作流程立体标定模块的主要工作流程如图 4 所示。它主要利用 harris角点提取算法提取棋盘格中的交叉部分的坐标值，通过张正友方法计算出左右摄像机的内部参数，利用 Brown 方法求解畸变参数。最终利用摄像机内部参数和畸变参数以及棋盘格相对于左右摄像机的外部旋转和平移参数计算出左右摄像机之间的参数和进行左右视图的行校准。1.5 立体匹
7、配模块立体匹配模块立体匹配模块主要利用半全局匹配的算法进行立体匹配计算出左右视图的视差图，进而用于深度计算模块计算物体的空间坐标。9半全局匹配算法是对视图中点采用多方向的动态规划算法，选取匹配代价最小的点对为匹配点。 。动态规划的基本思想是采用最优原则来建立用于计算最优解的递归式，即此后的决策必须是基于当前状态（由上一次决策产生）的最优决策。通过多方向的动态规划算法计算匹配代价切合图像中的成像点具有全局关联性的特点，有效克服了局部匹配算法只考虑局域范围的缺点，具有较好的精度，同时采用多方向的动态规划算法的半全局算法与每一个点匹配代价计算都要考虑整幅图像上的点的全局匹配算法相比计算大大减少，基本
8、可以满足实时性的要求。半全局立体匹配效果图 5 所示。图 5 半全局匹配效果图图 5 中最上一层为原图左图，中间为真实无误差视差图，第三层为半全局匹配效果图。可以看出半全局匹配算法比较精准。101.6 系统警戒区域及其报警设置系统警戒区域及其报警设置系统警戒区域的设置主要考交互操作指定带电平面和安全距离，待设定完带电平面后系统利用深度计算模块实时计算监控范围内的点的空间坐标值。当物体与带电平面的欧几里得距离小于安全距离时，系统发出警报声提醒相关人员注意施工安全。考虑到单组双目摄像头的局限性和系统的鲁棒性，系统采用至少两组双目摄像头对物体进行实时监控。下面是采用两组双目摄像监控三带电立体空间的一
9、种布局示意图如图 5 所示。图 5 中双目摄像头 1 监测带电立体空间的（1） （2）（5） （3）面，双目摄像头 2 监测带电立体空间的（1） （3） （4）（5）面。图 6 两组双目摄像头立体空间监测示意图11第二章第二章 双目测距设备及其性能参数双目测距设备及其性能参数2.1 双目测距设备双目测距设备图 7 三维安全警示系统采用双目摄像机及其支架实物图图 7 三维安全警示系统采用双目摄像机近景实物图双目测距设备主要由如图 7 所示的双目摄像机及其支架和软件运行工作的笔记本工作站所组成。图 8 所示为三维安全警示系统采用的双目摄像机近景实物图。122.2 测量设备的性能参数测量设备的性能参
10、数设备名称主要性能参数摄像头类型广角驱动方式无驱基线距离 B(mm)150 5cx170 15投影中心坐标cy110 15fx(pixel)260 15焦距fy(pixel)260 15k10.5径向畸变参数(参考范围)k20.5P10.05切向畸变参数（参考范围）P20.05规格 1USB1.2m+3m数据传输线规格规格 2USB3m理论范围812.5mm39000mm双目摄像机测距范围最佳范围1000mm-6000mm摄像机支架高度调节范围50cm130cm13角度调节范围00600第三章第三章 适用环境及其安全须知适用环境及其安全须知本三维安全警示系统主要针对变电站施工周边设备带电的工作情况。在较近距离效果会较好。由于变电站环境的不同和待监测的空间的不同，各种参数如安全距离等需要针对具体情况具体设置。切不可一味采用默认值和随意设置参数。电力安全生产高于一切。本系统可以作为一种技术手段辅助相关人员监测相关施工人员和设备在周边具有带电设备的环境下进行安全施工。
