三维带电空间警示系统 技术说明书 天智系统

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 4 1 1 系统工作原理 4 1 2 系统组成 5 1 3 系统工作流程 6 1 4 立体标定模块工作流程 7 1 5 立体匹配模块 7 1 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 10 2 1 双目测距设备 10 2 2 测量设备的性能参数 11 第三章 适用环境及其安全须知 12 3 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 LR LR LR ABbxxZf O OZb bxx b 由公式 1 推出深度的计算公式为 2 LR bf XX Z 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 l bX X disparity 4 l bY Y disparity 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 6 1 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 7 1 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 Y N 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 8 1 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 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 10 1 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 12 2 2 测量设备的性能参数测量设备的性能参数 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 5 cx170 15 投影中心坐标 cy110 15 fx pixel 260 15 焦距 fy pixel 260 15 k10 5 径向畸变参数 参考范围 k20 5 P10 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 5mm 39000mm 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50cm 130cm 13 角度调节范围00 600 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