利用移动靶标的变压器分区标定方法
【专利摘要】本发明公开利用移动靶标的变压器分区标定方法，借助于精密运动控制系统带动单个圆形LED光靶标在变压器空间移动；利用CCD相机获取光靶标图像并实时传输到计算机；使用图像处理技术对光靶标图像进行处理，获得靶标中心在像平面的位置坐标；将像平面上的点按照“回”字形分成合适的区域；利用最小二乘法对各空间各个区域的图像中心坐标进行标定，即对变压器截面的中央坐标进行标定。本发明采用基于CMM移动靶标的方式对变压器进行界面区分，无需制作精度要求高的标定模板，而是使用三坐标测量机带动LED光靶标进行移动，大大降低了精确空间三维点集获取的难度，同时对像平面上的点分区域进行标定计算，能够有效提高相机的标定精度。
【专利说明】利用移动靶标的变压器分区标定方法
【技术领域】
[0001]本发明属于变压器测试【技术领域】，更加具体地说，涉及移动靶标的使用方法，即利用移动靶标的变压器分区标定方法。
【背景技术】
[0002]在输变电【技术领域】中，变压器是常用的电气部件，对整个终端输变电的稳定性有重要意义，对其研究往往集中在其内部结构、性质以及与整个输变电网络的配合程度，以便更好地发挥其性能，往往忽略有关变压器位置方面的测定，即在变压器日常运行状态下或者在外界影响的状态下，位置变化的标定。这个问题看似很小，却能够在一定程度上影响输变电网络的稳定运行。在图像测量过程以及计算机视觉应用中，为确定空间物体表面某点的三坐标信息与其在图像中对应点之间的相互关系，必须建立相机成像的几何模型，这些几何模型参数就是相机的内外部参数。在大多数条件下这些参数必须通过实验与计算才能得到，这个求解参数的过程就称之为相机标定。相机标定是计算机视觉应用中一个基础而关键的技术，其标定结果的精度及算法的稳定性直接影响相机工作产生结果的准确性。因此，做好相机标定是做好后续工作的前提，提高标定精度是科研工作的重点所在。相机标定算法根据主要分为传统相机标定法、主动视觉相机标定方法和相机自标定法。
[0003]在三类相机标定方法中，传统标定方法精度最高，并且鲁棒性也较好，其中传统相机标定法中基于径向准直约束(RAC)的Tsai两步法考虑了相机的畸变模型，通过计算径向畸变参数对相机进行畸变校正，大大提高了相机标定的精度，自问世以来得到人们的青睐。但由于需要高精度的标定模板，在实际应用中仍有较大的限制。
【发明内容】
[0004]本发明的技术目的在于克服现有技术的不足，利用相机标定方法对变压器采集的形状(或者位置)信息进行标定，以求能够简单快捷且高精度的实现参数标定。
[0005]本发明的目的通过下述技术方案予以实现:
[0006]利用移动靶标的变压器分区标定方法，按照下述步骤进行:
[0007](I)借助于精密运动控制系统带动单个圆形LED光靶标在变压器空间移动；
[0008](2)利用CCD相机获取光靶标图像并实时传输到计算机；
[0009](3)使用图像处理技术对光靶标图像进行处理，获得靶标中心在像平面的位置坐标；
[0010](4)将像平面上的点按照“回”字形分成合适的区域；
[0011](5)利用最小二乘法对各空间各个区域的图像中心坐标进行标定，即对变压器截面的中央坐标进行标定。
[0012]下面结合上述步骤具体说明本方案如下:
[0013](I)第一步:精密运动控制系统为Brown-Sharp三坐标测量机(CMM)，并与计算机通过RS232接口相连接，计算机可以控制CMM在X，Y，Z三方向上移动，LED光靶标固定在CMM的测量臂上，通过计算机软件可以实时读取并存储测量臂尖端在CMM坐标系(即世界坐标系)下的坐标值。CCD相机固定于光靶标前方，并且不会影响CMM的移动；
[0014](2)第二步:相机摄取图像并通过千兆网线实时地传输到计算机。CMM呈梯台形移动，距离相机近的截面面积小，距离远的截面面积大，这样能够保证任何截面上的点落在像平面上时，能够充分布满像平面范围，有助于更精确的进行标定计算；
[0015](3)第三步:计算机对图像处理过程包括图像滤波、阈值分割、黑白翻转、轮廓跟踪和最小二乘椭圆拟合，最终获得光靶标中心在像平面中的坐标，并与其在CMM坐标系下的坐标同时进行存储；
[0016](4)对空间点集按照在像平面成像位置分成几个区域，采用回字形对像平面进行分区域；
[0017](5)利用最小二乘法对各空间各个区域的图像中心坐标进行标定，即对变压器截面的中央坐标进行标定。
[0018]如说明书附图所示的径向准直约束模型，Oc-UcVcWc为相机坐标系，O1-XY为像平面坐标系，ow_xwywzw为世界坐标系，在此标定模型中，即为CMM坐标系。点Q(x，y, z)为世界坐标系的任意一点，设点Q(x，1，z)在相机坐标系下的坐标为(u，V, w)，根据两者的坐标变换关系，可知:
Γ ?X
U
[0019]V = RT.^
Z
W⑴
_1 _
[0020]其中R和T分别为旋转和平移矩阵。旋转平移矩阵R和T可以通过相机透视变换模型并结合文献(Yuan J S-C, Ageneral photogrammetric method for determiningobject posit1n and orientat1n, IEEE Trans on Robotics and Automat1n,1989,5(2):129-142)中的牛顿-高斯法求解得到。
[0021]设到第i个位置时，测试点Q在相机坐标系下的实际坐标为(Ui，Vi，Wi)T，理想值为(U，V, w)T，则可得最优化目标函数:
[0022]g (X) =Σα-)2 (2)
[0023]其中(.γ,少’，ζ,ιι,ν,w) = ^Jiu1-Li)2 +(Vj — V’)」+ (W1 — V)优化变量 X = (x,y,z,u,v,
w)，即测试点Q在光笔坐标系和相机坐标系下的坐标。
[0024]系统的非线性方程组为:
[0025]fi (X，γ, z，U，V，w) =0i = l，2，L, η (3)
[0026]可使用最小二乘解的广义逆法求解此方程组，即可得到相应的坐标(u，v，w)T、(X，y, ζ)τ。结合上述步骤进一步说明本方案。
[0027]由于每幅图像可以得到3个非线性方程，优化变量X有6个未知数，因此X的初值可以通过两幅以上的图像计算得到；采集η幅图像后，即可以得到含有η个方程的非线性方程组fi (X，y，ζ, u, ν, w) = Oi = 1,2, L, η,利用最小二乘解的广义逆法求解此方程组；最后进行收敛判断，相邻两次最优解的差值绝对值< 0.01或者达到10_6数量级时，停止迭代计算，将最后一次得到的优化变量X中的U，y, ζ)τ作为测试点的坐标值，即可得到该区域的图像中心坐标，即变压器截面的中央坐标值。
[0028]本发明具有以下技术效果:本发明采用基于CMM移动靶标的方式对变压器进行界面区分，无需制作精度要求高的标定模板，而是使用三坐标测量机带动LED光靶标进行移动，大大降低了精确空间三维点集获取的难度，同时对像平面上的点分区域进行标定计算，能够有效提闻相机的标定精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1是测试仪器在变压器内部空间移动范围示意图。
[0030]图2是“回”字型分区域的方式。
[0031]图3是透视投影原理图，是求取物像旋转变换矩阵的根据。
【具体实施方式】
[0032]下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0033]第一步:精密运动控制系统为Brown-Sharp三坐标测量机(CMM)，并与计算机通过RS232接口相连接，计算机可以控制CMM在X，Y，Z三方向上移动，LED光靶标固定在CMM的测量臂上，通过计算机软件可以实时读取并存储测量臂尖端在CMM坐标系(即世界坐标系)下的坐标值。CCD相机固定于光靶标前方，并且不会影响CMM的移动；
[0034]第二步:相机摄取图像并通过千兆网线实时地传输到计算机。CMM呈梯台形移动，距离相机近的截面面积小，距离远的截面面积大，这样能够保证任何截面上的点落在像平面上时，能够充分布满像平面范围，有助于更精确的进行标定计算；
[0035]第三步:计算机对图像处理过程包括图像滤波、阈值分割、黑白翻转、轮廓跟踪和最小二乘椭圆拟合，最终获得光靶标中心在像平面中的坐标，并与其在CMM坐标系下的坐标同时进行存储；
[0036]对空间点集按照在像平面成像位置分成几个区域，采用回字形对像平面进行分区域；
[0037]利用最小二乘法对各空间各个区域的图像中心坐标进行标定，即对变压器截面的中央坐标进行标定。
[0038]在空间内的同一区分区域中，通过6幅图像计算中心的坐标初值为(77.152，-21.925，-117.866);继续采集一幅图像并传输到计算机，根据相机坐标系和理想像平面坐标系的投射投影关系，以及中心在相机坐标系和光笔坐标系下不变性，求取中心在光笔坐标系下的坐标为(76.411,-20.928,-118.412)。将此坐标值和初值相减去绝对值为(0.753，1.017，0.547)，发现不能满足收敛要求(相邻两次最优解的差值绝对值< 0.01或者达到10_6数量级)，则继续采集图像。每增加一幅图像，就进行一次迭代计算最优化变量X = (X, y, z, u, V, w),并做一次收敛判断；通过207幅图像计算后,得到最后两次的坐标值分别为:(75.103,-24.258,-120.121)和(75.104,-24.260,-120.123)，进行收敛判断满足要求，终止迭代计算，完成标定工作，将(75.104，-24.260，-120.123)作为变压器中心位置的坐标。
[0039]以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
【权利要求】
1.利用移动靶标的变压器分区标定方法，其特征在于，按照下述步骤进行: (1)借助于精密运动控制系统带动单个圆形LED光靶标在变压器空间移动； (2)利用CCD相机获取光靶标图像并实时传输到计算机； (3)使用图像处理技术对光靶标图像进行处理，获得靶标中心在像平面的位置坐标； (4)将像平面上的点按照“回”字形分成合适的区域； (5)利用最小二乘法对各空间各个区域的图像中心坐标进行标定，即对变压器截面的中央坐标进行标定；其中 在第一步中:精密运动控制系统为Brown-Sharp三坐标测量机(CMM),并与计算机通过RS232接口相连接，计算机可以控制CMM在X，Y，Z三方向上移动，LED光靶标固定在CMM的测量臂上，通过计算机软件可以实时读取并存储测量臂尖端在CMM坐标系(即世界坐标系)下的坐标值。CCD相机固定于光靶标前方，并且不会影响CMM的移动； 在第二步中:相机摄取图像并通过千兆网线实时地传输到计算机，CMM呈梯台形移动，距离相机近的截面面积小，距离远的截面面积大，这样能够保证任何截面上的点落在像平面上时，能够充分布满像平面范围，有助于更精确的进行标定计算； 在第三步中:计算机对图像处理过程包括图像滤波、阈值分割、黑白翻转、轮廓跟踪和最小二乘椭圆拟合，最终获得光靶标中心在像平面中的坐标，并与其在CMM坐标系下的坐标同时进行存储； 在第四步中，对空间点集按照在像平面成像位置分成几个区域，采用回字形对像平面进行分区域； 在第五步中，利用最小二乘法对各空间各个区域的图像中心坐标进行标定，即对变压器截面的中央坐标进行标定。
2.根据权利要求1所述的利用移动靶标的变压器分区标定方法，其特征在于，在第五步进行最小二乘法判断时，设点Q(x，1，z)在相机坐标系下的坐标为(U，V, w)，根据两者的坐标变换关系，可知:Γ ?X U
r -1 V V = RT.zw⑴
I 旋转平移矩阵R和T可以通过相机透视变换模型并牛顿-高斯法求解得到 设到第i个位置时，测试点Q在相机坐标系下的实际坐标为(Ui^iWi)T,理想值为(u，V，w)T，则可得最优化目标函数: g (X) =Σα)2 (2)
其中./,:(.\%>，，2,"，I.’, Vv) = ^jiu1-1i)2 +(Vi — I.’)2 +(u;.— vv)2 ,优化变量 X= (x, y, z, u, v, w),即测试点Q在光笔坐标系和相机坐标系下的坐标。 系统的非线性方程组为:
fi (x, y, z, u, v, w) = Oi = I, 2, L, η (3) 可使用最小二乘解的广义逆法求解此方程组，即可得到相应的坐标(u，v，w)T、(χ,γ,ζ)TO
3.根据权利要求1所述的利用移动靶标的变压器分区标定方法，其特征在于，由于每幅图像可以得到3个非线性方程，优化变量X有6个未知数，因此X的初值可以通过两幅以上的图像计算得到；采集η幅图像后，即可以得到含有η个方程的非线性方程组A (X，y, z,u，V, w) = Oi = 1,2, L, n，利用最小二乘解的广义逆法求解此方程组；最后进行收敛判断，相邻两次最优解的差值绝对值< 0.01或者达到10_6数量级时，停止迭代计算，将最后一次得到的优化变量X中的U，y, ζ)τ作为测试点的坐标值，即可得到该区域的图像中心坐标，即变压器截面的中央坐标值。
【文档编号】G06T7/00GK104268854SQ201410465223
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】刘兴鹏, 王东海, 王庆彪, 张学强, 牛荣杰, 王永忠, 唐河勋, 高振生, 肖志超, 鄂家兴 申请人:国家电网公司, 国网天津宝坻供电有限公司