基于立体视觉技术的导地线覆冰厚度测量
危害电网安全运行的重要因素之一是覆冰，迫切需要准确可靠的方法对其监测。为此，中国南方电网有限责任公司超高压输电公司曲靖局、北京国网富达科技发展有限责任公司的研究人员叶凡、熊细涛、桂菲菲、何红太、秦源汛，在2020年第2期《电气技术》杂志上撰文，基于三维即时成像立体视觉技术，利用搭载LoRa模块的四目相机对导地线覆冰进行监测。
该方法中的硬件布置形式和成像原理可大大避免歧义，从而摆脱对结构光等辅助手段的依赖，在机器视觉领域实现了通用、实时、远距离和被动成像的功能，能够满足覆冰监测需要的野外和大视场范围的需求。实验证明，该方法能够直观观察到覆冰情况及准确计算覆冰的厚度，具有实用性及可行性，为导地线覆冰监测工作提供了有力的技术支撑。
覆冰数据是指导电力线路防冰、抗冰工作决策的重要依据，对保障电网安全稳定运行具有重要意义，必须采用可靠且准确的测量方法获得。目前，采用摄影测量的方法能直观地获得电力线路的覆冰状况。通过对线路覆冰前后的图像进行分析来确定被测物体的位置、尺寸和形状，并提取覆冰图像的边缘轮廓，从而计算出覆冰厚度。
由于电力线路安装的现场环境是多样的，有高山、平地，背景植被的颜色会随着季节的变化而发生变化；且电力线路的覆冰情况复杂多变，不单会出现规则覆冰，在特定的环境条件下还会出现如冰凌的不规则覆冰，现有图像监测方法都是对采集的二维图像进行处理和识别，很难精确地将背景干扰与导线图像准确分离，易受摄像机位置和角度的影响。使用单目图像对不规则覆冰的图像识别精度较低，不能对覆冰情况进行准确测量。
鉴于此，有人提出用双目图像来测量覆冰的厚度，但是由于覆冰的自遮挡、阴影，以及镜头视场大小和景深的限制，双目立体测量系统不能通过一次测量得到被测物体表面的所有数据，须从不同的视点进行多次测量，且双目图像匹配需要消耗大量的运算资源，在匹配过程中有些歧义很难自动消除，所以具有事后运算需要人工干预和修正的特点，一般很难用于实时的三维感知和测量。
本文基于三维即时成像立体视觉技术，获取导地线覆冰的四目图像，测量覆冰层的厚度。它是建立在平行光轴四像机矩阵布局基础上的一种纯光学图像三维测量系统，硬件结构至少包括一组2×2阵列、光轴平行布置的数码相机组，通过空间几何数据的分析对多幅图像进行关联匹配，从而消除双目匹配过程中普遍产生的歧义性，完全摆脱了对结构光等辅助手段的依赖。
在未来的物联网应用场景中，有大量的应用是运营商的网络无法覆盖的，尤其是覆冰的电力线路所处山区偏远，地质条件复杂，这些环境的网络连接选择无线远距离传输通信模块（long range radio, LoRa）更为合适。
综上，本文基于三维即时成像立体视觉技术，利用搭载LoRa模块的四目相机对导地线覆冰进行厚度测量，可对覆冰厚度信息进行及时分析，并做出相应的处理结果辅助决策建议，从而实现对导地线覆冰的“智慧”检测。
1 测量原理
1.1 三维即时成像立体视觉
三维即时成像立体视觉包括4台焦距、分辨率等各项参数完全一样的图像采集设备，该4台相机中心组成一个平面矩阵，所有相机的光轴相互平行。它是仿照人类完善的视觉系统，以纯光学成像的技术线路，模仿人眼功能原理的三维成像相机组。
基于平行双目三维运算视差原理，不同深度的被视点，都具有不同的视差值，深度值和视差值两者之间成反比，且被视点的深度值还与两幅图像之间的基线距离以及相机镜头的焦距成正比。
该矩形结构分布特征的四目系统可以克服双目立体视觉系统的空间位置精度与匹配精度的矛盾。这样就产生了4组平行双目匹配关系（矩形的垂直方向也完全可以理解为双目平行匹配），使原来双目的单一不确定性匹配，变为四组双目的具有强几何约束的确定性匹配。
1.2 覆冰厚度测量流程
首先获得清晰的二维覆冰图像是准确计算覆冰厚度的先决条件。本文从4个视角观察输电线路，获取从不同角度得到的图像，然后确定相机的内参数与外参数，建立覆冰线路的空间坐标点同它在图像平面上像点之间的对应关系式。将图像进行预处理，突出所需要的信息，降低干扰噪声。对应覆冰线路上的同一个空间物理点在不同图像中的像点，对特征点进行匹配，最后通过计算即可求得覆冰轮廓的三维坐标，具体测量流程如图1所示。
图1 测量流程图
2 系统硬件设计
2.1 硬件结构
电力线路覆冰厚度测量系统的总体架构如图2所示。本系统由四目相机、地面工作站、LoRa无线传输模块和电池模块4部分组成。依托平行光轴四相机阵列硬件结构，后台内置通用算法，满足测量覆冰厚度的需要。
图2 硬件总体架构
2.2 四目相机
四目相机是由4个图像传感器焊接在同一块电路板上，图像传感器光学中心呈矩形布置，四个传感器的扫描线水平对齐且垂直对齐。图像采集电路采用现场可编程门阵列（field programmable gate array, FPGA）控制图像采集，依靠硬件触发电路，实现4幅图像的同步采集，满足高速同步测量的要求，依靠千兆网口或其他图像数据接口输出数据。
镜头采用C型接口镜头，焦距根据测量距离选择不同的焦距，距离远可以选择长焦镜头，覆冰导线的测量距离为8～15m，因此镜头焦距为35mm定焦镜头。
图3 四目相机内部结构图
2.3 地面工作站
地面工作站硬件为一台笔记本电脑，软件实现的功能有拍摄控制、三维运算和数据管理。软件平台如图4所示。
图4 软件平台
2.4 无线传输模块
无线传输模块采用的是LoRa模块，可实现数据采集、远程控制、LoRa通信，解决远距离、分散采集、快速组网的问题，不需要对模块进行二次开发。该模块工作频率433Hz，功率2W，传输距离2km。
在广播透传模式下，模块不改变数据和协议，所发即所收；在星型协议组网通信模式下，节点是间歇性休眠的，中心模块发给节点模块只需要在数据前面加入节点模块的地址编码，节点模块发给中心模块则是通过透明传输方式，节点之间不会相互干扰。
2.5 电池模块
电池模块采用锂电池直流供电方式，满足四目相机图像采集板、嵌入式计算机板和无线模块的用电需求。三块板各自的功率分别为6W、20W、2W，共28W。电池组按DC 12V，6000mA·h，供电时长不低于2.5h。
3 系统主要功能
3.1 四目相机功能
1）单路相机图像动态采集并利用高清多媒体接口（high definition multimedia interface, HDMI）图传通道实时图传。
2）由单路图像采集切换为四相机组进行图像同步采集。
3）二维图像同步采集、本地存储和利用数据接口下载。
3.2 无线模块功能
四目相机中的无线接收装置能够接收地面工作站发出的各类命令，并将命令传输到四目相机中的嵌入式计算机板。
3.3 地面工作站功能
1）自动接收四目相机的4幅同步采集图像，实时接收和存储多次多角度的同步采集图像。
2）同步采集四目相机的4幅图像，进行三维运算，得到导地线覆冰的三维立体图像。
3）根据导地线三维图像，自动计算和描述该视角下导地线覆冰的最大外部轮廓，以及视场范围内该轮廓在不同截面的位置和形状，计算得到最大截面和最小截面，以及平均截面的冰轮廓间的距离 尺寸。
4）根据导地线的型号以及同一测量位置上多个视角的覆冰轮廓，自动计算覆冰平均厚度。
5）具有单次和累计测量数据的记录、显示和导出功能。
4 实验验证及分析
4.1 户外模拟测试
为验证本文测量方法的有效性和准确性，进行了模拟实验。将型号为LGJ-400/35、直径约为26.82mm的导线，放置于饮料瓶中，加水静置于高低温交变湿热试验箱，温度设定为40℃、持续时间为48h，进行低温试验模拟覆冰过程，得到覆冰后的导线，如图5所示。
图5 模拟导线覆冰
为了模拟真实的电力线路环境，特意在户外搭建实验测试平台，固定好覆冰的导线，架设四目相机，顺光拍摄，尽可能避免树木、植被等干扰背景，进行图像采集，如图6所示。
图6 户外模拟实验
通过四目相机，获取覆冰的导线图片，如图7所示。再根据场景的远近，剔除导线之外的背景图像进行导线的边缘提取，得到软件处理后的测量图，如图8所示。通过同一测量位置上多个视角的覆冰轮廓，自动计算覆冰平均厚度。
图7 户外测量图
图8 软件测量图
在每次采集图像的同一时刻，对覆冰的导线进行人工手动测量，得到实际宽度值。
4.2 实验结果分析
经过多次重复实验，覆冰层从厚变薄的过程，可模拟电力线路不同情况下的覆冰厚度，得到不同的覆冰厚度数据，见表1。
表1 覆冰厚度数据
由表1数据可见，本文研究的测量方法能够有效地检测出覆冰导线的边缘。在测试的这10组数据中，与实际测量最大误差为0.97mm。对于导线覆冰厚度测量来说，这样的误差值是可以接受的。
此外，为了模拟导地线处于杂乱的背景下，特意在复杂背景下搭建实验场景。将背景图像设为树枝、杂草、墙壁、铁围栏及其他建筑物。如图9所示。图10为复杂背景下软件测量图。对不同规格的导地线进行拍摄，以不同直径的导地线来模拟不同覆冰厚度，从而对本文测量方法进行验证，得到的数据见表2。
通过对复杂背景下的7种导线及2种地线的测量，得到最大误差为±1.62mm，满足电力线路覆冰厚度测量偏差的要求。如果提高图像的分辨率，还可以大大减小误差的绝对值。
图9 复杂背景下实验搭建图
图10 复杂背景下软件测量图
表2 复杂背景下导地线直径数据
5 结论
本文采用4台相机平行光轴布置形成矩阵阵列，极大简化了计算过程，使三维匹配运算实现了标准化和通用化，具有匹配快速、运算简单的特点，完全可以实现芯片化。其硬件布置形式和成像原理，基本避免了歧义，从而摆脱了对结构光等辅助手段的依赖，在机器视觉领域实现了通用、实时、远距离和被动成像的三维检测，弥补了单/双目+结构光和飞行时间技术（time of flight, TOF）等三维成像既有技术线路中的功能空白，通过在任意距离上的实时成像功能，且采用LoRa技术模块，能够满足导地线覆冰厚度测量需要的野外和大视场范围需求。
目前，对基于三维即时成像立体视觉技术的电力线路覆冰厚度测量的研究较少，因实验条件限制，本文只进行了人工模拟覆冰的实验，今后还需要对现场的导地线覆冰进行实际测量，争取实现导地线覆冰的准确预测、清晰测量和高效融解，使电网从惧怕冰灾转变为从容应对。