基于無(wú)人全景拍攝的輸電線路走廊全景展示方法研究

引言

近年來(lái),我國(guó)電力領(lǐng)域的快速發(fā)展與進(jìn)步加快了電網(wǎng)建設(shè)步伐,電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)與社會(huì)生產(chǎn)、社會(huì)穩(wěn)定息息相關(guān),因此維護(hù)電網(wǎng)整體運(yùn)行安全,及時(shí)檢修電網(wǎng)故障具有重要意義。輸電線路走廊具有地形復(fù)雜多樣、線路分布廣闊的特點(diǎn),其中包含大部分架空輸電線路,導(dǎo)致傳統(tǒng)人工檢修輸電線路的難度與失誤大大增加,并且人工檢修線路的危險(xiǎn)系數(shù)較高,因此必須采用一種更加智能、精準(zhǔn)的方式代替人工檢修輸電線路的方式,以符合現(xiàn)代電力發(fā)展的高標(biāo)準(zhǔn)趨勢(shì)。針對(duì)險(xiǎn)峻的地形與自然環(huán)境,無(wú)人機(jī)逐漸應(yīng)用到輸電線路走廊全景拍攝中,對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝的高清全景輸電線路走廊圖像加以處理,即可在計(jì)算機(jī)顯示端呈現(xiàn)清晰的輸電線路走廊全景,據(jù)此展開檢修,有效降低檢修的難度與危險(xiǎn)性?；诖?本文研究了一種基于無(wú)人全景拍攝的輸電線路走廊全景展示方法,為精準(zhǔn)獲取輸電線路全景提供參考。本文方法思路如下:采用無(wú)人機(jī)搭載攝像系統(tǒng)獲取全方位輸電線路圖像,在計(jì)算機(jī)端對(duì)拍攝的圖像加以重建和拼接,即可得到高清的全景圖像,實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊全景展示。

1輸電線路走廊全景圖像展示

1.1無(wú)人機(jī)全景拍攝

無(wú)人機(jī)在民用領(lǐng)域的普及得益于無(wú)人機(jī)技術(shù)的飛速革新與進(jìn)步,基于無(wú)人拍攝圖像為展示輸電線路走廊全景提供了高性價(jià)比的方式,其優(yōu)勢(shì)如下:（1）無(wú)人機(jī)拍攝高空輸電線路走廊圖像,使高空作業(yè)人員從危險(xiǎn)環(huán)境中解放出來(lái),另外,無(wú)人機(jī)的成本較低,在節(jié)約支出成本的同時(shí)提升了檢修線路的效率:（2）技術(shù)人員通過(guò)飛行控制軟件指揮無(wú)人機(jī)飛行器的飛行狀態(tài),滿足了針對(duì)性全景拍攝需求。

順利獲取無(wú)人機(jī)拍攝的輸電線路全景圖像的前提是合理控制飛行軟件,保障飛行的有序進(jìn)行?；跓o(wú)人機(jī)拍攝輸電線路的全景圖像時(shí)往往采用智能軟件控制飛行角度、方向等參數(shù),無(wú)人機(jī)在預(yù)設(shè)的飛行參數(shù)下自主采集圖像。無(wú)人機(jī)智能操控軟件是保障飛行順利的重要部分,因此提升無(wú)人機(jī)性能的研究可從更新控制軟件的角度入手。

無(wú)人機(jī)全景拍攝重點(diǎn)是搭載成像系統(tǒng)采集高精度的多角度圖像,是重建、拼接輸電線路走廊全景的基礎(chǔ)。無(wú)人機(jī)拍攝搭載的成像系統(tǒng)一般由攝像機(jī)、檢測(cè)設(shè)備、傳輸設(shè)備構(gòu)成,確保機(jī)器采集的圖像符合人工采集的高標(biāo)準(zhǔn),以準(zhǔn)確展示輸電線路走廊的全景,為后期展開線路巡檢、故障排查等工作打好基礎(chǔ)。

本次研究采用大疆品牌無(wú)人機(jī)配合Dronepan飛行控制軟件共同操縱無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài),無(wú)人機(jī)拍攝參數(shù)設(shè)置如下:設(shè)置延遲拍攝時(shí)間為1.5S,根據(jù)需求飛行高度最高可達(dá)130m:無(wú)人機(jī)拍攝的圖像分辨率為4000×3000dpi,焦距為18mm,偏航角與俯仰角分別為459、22.59:在水平方向分四行進(jìn)行拍攝,每行拍攝8張圖像,垂直方向拍攝35張圖像,拍攝行數(shù)為1行。圖1展示了無(wú)人機(jī)拍攝輸電線路走廊全景圖像的全過(guò)程。

1.2基于立體匹配方法實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊圖像重建

無(wú)人機(jī)在拍攝輸電線路圖像過(guò)程中,以同一個(gè)觀察點(diǎn)為基準(zhǔn),拍攝不同視覺位置下的圖像,基于立體匹配的重建方法通過(guò)挖掘同一場(chǎng)景不同角度圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系,得到圖像的深層次信息,實(shí)現(xiàn)圖像重建,以確保輸電線路圖像采集的高精度。

不確定性是立體視覺重建方法的一個(gè)特點(diǎn),圖像信息的丟失往往由立體匹配的投影過(guò)程導(dǎo)致,可通過(guò)一系列的約束條件防止圖像內(nèi)容丟失。立體匹配方法計(jì)算得到圖像的深層次信息即可實(shí)現(xiàn)圖像重建,而匹配問(wèn)題與深度求取是立體匹配方法的兩個(gè)階段。

圖2為無(wú)人機(jī)拍攝點(diǎn)平面圖。

圖像空間的M點(diǎn)投影分別用M1與M2表示,圖2中描述的圖像拍攝位置是無(wú)人機(jī)的水平方向保持不變,M1與M2的橫坐標(biāo)分別用x1與x2表示,/是拍攝焦距,兩個(gè)拍攝點(diǎn)的中心距離用H表示,圖中G的表達(dá)式為G=/,設(shè)置d=x1-x2表示無(wú)人機(jī)拍攝的視覺視差,則用G=/描述深度輸電線路走廊圖像。

定義輸電線路走廊圖像（x,y）的灰度值為/1（x,y）、/2（x,y）,圖像為Na×Nb大小,結(jié)合無(wú)人機(jī)拍攝的左右兩幅圖像得到圖像立體匹配表達(dá)式,如式(1）所示:

式中,d(x,y）為圖像視差:B為無(wú)人機(jī)拍攝視差上限。

基于上述方法重建無(wú)人機(jī)采集的輸電線路走廊圖像,在此基礎(chǔ)上拼接圖像構(gòu)建全景圖像,實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊全景展示。

1.3輸電線路全景圖像拼接

將無(wú)人機(jī)采集的輸電線路走廊圖像導(dǎo)入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)中后,基于+SUR算法提取圖像特征點(diǎn),基于UFA+FN算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合,降低特征點(diǎn)匹配誤差,得到高精度的全景拼接圖像。

C1311特征提取

+SUR算法提取圖像特征點(diǎn)具有尺度不變性,能夠真正縮短輸電線路走廊圖像匹配時(shí)長(zhǎng)[6]。+SUR算法提取特征點(diǎn)步驟為:(1）為得到差異性尺度空間,+SUR算法以差異性尺寸的盒式濾波器為中介對(duì)采集的原始輸電線路圖像的積分圖像實(shí)施濾波處理。(2）基于HeSSian矩陣檢測(cè)各層圖像中的影像極值點(diǎn),由此定義HeSSian矩陣上限與下限,精準(zhǔn)選取極值點(diǎn),以獲取特征點(diǎn)的尺度值與位置。

得到特征點(diǎn)位置后,將該特征點(diǎn)作為圓形的中心點(diǎn),設(shè)置半徑值為515,在該圓形區(qū)域中求取像素點(diǎn)水平與垂直方向的Haar小波響應(yīng)值,制作響應(yīng)值的統(tǒng)計(jì)直方圖以得到圓形區(qū)域中矢量方向最大值,特征點(diǎn)的主方向即為該矢量的方向,通過(guò)這種方式保證配準(zhǔn)算法旋轉(zhuǎn)不變。

特征點(diǎn)描述如下:確定以特征點(diǎn)為中心點(diǎn)的鄰域范圍,即20"×20"區(qū)域內(nèi),令該區(qū)域與特征點(diǎn)的主方向相同。對(duì)任意一個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行高斯加權(quán),分別求取加權(quán)后像素點(diǎn)的Haar小波在水平與垂直方向的響應(yīng)值,分別用ex與ev表示。xex與xev表示區(qū)域中全部像素點(diǎn)的響應(yīng)值和,x|ex|與x|ev|表示子區(qū)域中響應(yīng)值的絕對(duì)值,基于求取的xex與xev、x|ex|與x|ev|構(gòu)建思維特征向量。最后通過(guò)歸一化處理特征點(diǎn)描述向量的方式,確保特征點(diǎn)描述的尺度不變性。

11312特征匹配

基于上述方法得到兩幅輸電線路走廊圖像的+SUR特征向量,采用向量間的歐式距離評(píng)估特征點(diǎn)的相似程度[7]。確定特征點(diǎn)的匹配點(diǎn)條件如下:兩個(gè)特征點(diǎn)的最小距離和第二小距離的比值在55%以下?；谠摲椒ǖ玫降钠ヅ潼c(diǎn)為粗匹配,為提升匹配精準(zhǔn)度,需采用UFA+FN數(shù)據(jù)擬合算法剔除錯(cuò)誤

的匹配點(diǎn)。UFA+FN算法的優(yōu)點(diǎn)是容錯(cuò)能力強(qiáng)、魯棒性優(yōu),基于UFA+FN算法精細(xì)化匹配點(diǎn)的途徑如下:(l）定義目標(biāo)函數(shù):(2）估計(jì)函數(shù)的參數(shù)初始值,以循環(huán)提取最小點(diǎn)集的方式實(shí)現(xiàn),數(shù)據(jù)基于初始值被劃分成內(nèi)點(diǎn)與外點(diǎn)兩種形式[8],函數(shù)參數(shù)的求取即通過(guò)內(nèi)點(diǎn)的重新計(jì)算得到。這樣通過(guò)UFA+FN算法重新得到高精度的特征匹配點(diǎn),提升輸電線路走廊拼接的精準(zhǔn)度。

2全景重建測(cè)試

2.1測(cè)試環(huán)境設(shè)置

以某輸電線路走廊作為對(duì)象,采用本文方法展開全景展示測(cè)試研究。測(cè)試中,基于無(wú)人機(jī)拍攝大量輸電線路走廊圖像,根據(jù)測(cè)試需求選取特定圖像作為研究對(duì)象。輸電線路走廊拍攝圖像處理的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)置如下:NPS主頻為213GHz,攜帶2GB內(nèi)存,在MicroSoftViSualN＋＋610編程條件中運(yùn)行。2.2拼接時(shí)間開銷測(cè)試

選取場(chǎng)景l(fā)作為測(cè)試研究對(duì)象,采用本文方法拼接的場(chǎng)景l(fā)全景圖像如圖3所示。

圖3采用本文方法拼接的輸電線路走廊全景圖像展示

圖3中,采用本文方法拼接而成的輸電線路走廊全景圖像幾乎沒有不自然的拼接痕跡:圖4為未進(jìn)行圖像重建的輸電線路走廊全景圖像,即無(wú)人機(jī)拍攝的原始圖像。和圖4相比,圖3中的輸電線路走廊圖像清晰、完整,可作為有效的全景圖像使用,突出了本文方法中重建圖像的重要性。

圖4未進(jìn)行圖像重建的輸電線路走廊全景圖像

另外,圖3描述的場(chǎng)景l(fā)由6幅圖像為基礎(chǔ)拼接而成,本文方法拼接圖像的時(shí)間開銷如圖5所示。圖5中,本文方法拼接5個(gè)輸電線路場(chǎng)景圖像的時(shí)間開銷均在018～l10S,各幅圖像拼接的時(shí)間差較小,用時(shí)較短。上述數(shù)據(jù)顯示,本文方法拼接輸電線路走廊全景圖像的用時(shí)短,在全景展示輸電線路走廊方面效率較高。

由于場(chǎng)景1輸電線路走廊全景圖像由6幅圖像拼接而成,所以進(jìn)行5次拼接,本文方法拼接該圖像的偏差如表1所示。

表1本文方法圖像拼接偏差

表1顯示,以基準(zhǔn)圖像為基準(zhǔn),從x軸考慮,本文方法拼接偏差最大值僅為4行,從y軸考慮,本文方法拼接偏差最大值僅為1列,拼接偏差較小,可以忽略不計(jì)。由此證明本文方法拼接的輸電線路全景圖像精度較高,這是因?yàn)楸疚幕赟URF算法提取圖像特征點(diǎn)后,采用RANSAC數(shù)據(jù)擬合算法剔除錯(cuò)誤的匹配點(diǎn),RANSAC算法具有容錯(cuò)能力強(qiáng)、魯棒性優(yōu)的優(yōu)勢(shì),將錯(cuò)誤的特征點(diǎn)排除在外,由此提升輸電線路走廊圖像拼接的精度。

3結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于無(wú)人全景拍攝的輸電線路走廊全景展示方法,首先采用無(wú)人機(jī)拍攝輸電線路走廊各角度圖像,但是無(wú)人機(jī)采集的原始圖像在外界干擾下存在模糊、失真現(xiàn)象,導(dǎo)致最終展示的輸電線路全景不理想,所以基于立體匹配方法挖掘同一場(chǎng)景不同角度圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系,得到圖像深層次信息,重建清晰的輸電線路圖像:然后利用SURF算法提取圖像特征點(diǎn),基于RANSAC算法剔除錯(cuò)誤的匹配點(diǎn),實(shí)現(xiàn)輸電線路走廊全景圖像的高精度拼接。

經(jīng)測(cè)試證明了本文方法重建輸電線路走廊全景圖像的可行性與精準(zhǔn)度。在以后的研究中,可從改善無(wú)人機(jī)控制軟件的角度,優(yōu)化無(wú)人機(jī)拍攝圖像的效果,從根本上控制原始拍攝圖像的精準(zhǔn)程度,減少全景圖像處理部分的時(shí)間開銷,提升輸電線路走廊全景展示效率。