鐵塔單目視覺測量技術研究

馮硯廳，申軍輝，艾增棟

(1.河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021；2.石家莊高新區華昊工程技術服務有限公司，石家莊 050041；3.河北西柏坡發電有限責任公司，石家莊 050400)

鐵塔在安裝后、運行過程中，易發生傾斜、彎曲、扭曲等變形，當變形超過標準允許值時，需要對鐵塔進行處理，否則有可能在惡劣的天氣等因素的作用下發生倒塔事故。目前鐵塔測量均采用全站儀、經緯儀或是上塔吊線等測量方法進行測量。但這些方法測量速度較慢，容易受到帶電、天氣等的影響導致無法完成測量，且測量得到的數據信息少，不能同時對所有的桿件進行測量。以下介紹一種新的測量技術——視覺測量，及其在鐵塔測量中的應用。

1 單目視覺測量技術

視覺測量是在計算機視覺研究基礎上的一門新興檢測技術，因其測量速度快而廣泛用于工業、國防等領域。視覺測量技術按視覺傳感器的數量分為單目視覺測量、雙目視覺測量、多目視覺測量等。單目視覺測量僅利用一臺數碼相機拍攝單張照片來進行測量工作，只需對鐵塔進行一次性拍照，然后在辦公室內進行圖像計算和處理，即可實現鐵塔的測量目的。因其結構簡單、標定方便，同時還避免了立體視覺中的視場小、立體匹配難的不足，因而得到廣泛的研究和應用[1]。單目視覺測量的方法一般有幾何相似法測量、幾何形狀約束法測量、結構光法測量、幾何光學法測量、輔助測量棒法測量、激光輔助測距法測量等。

a. 幾何相似法是在放大倍數已知的條件下采用幾何相似的原理進行測量，其缺點是放大倍數過大影響測量精度，放大倍數過小增加測量難度。

b. 幾何形狀約束法是利用被測物體具有特征幾何形狀進行測量，缺點是過于依賴規則的形狀，對變形物體的測量有困難。

c. 結構光測量法是利用激光源產生點、線、面的結構光投射到被測量物體上，根據CCD成像位置和結構光源的位置計算出物體的坐標。其缺點是需要結構光源，對輸電鐵塔等大型結構及行架結構的物體有困難。

d. 幾何光學法測量是利用透鏡的成像原理，通過聚焦法和離焦法測得物距進行測量。其缺點是像距和焦距是已知的，而離焦法又需要準確標定離焦模型，實現準確標定是困難的。

e. 輔助測量棒法是采用3個已知點的測量棒，通過將測量棒的控制點放置于待側位置，然后進行拍照，通過坐標變換得到被測量點的坐標。其缺點是必須將測量棒放置于被測量點上。無法應用到大型且運行中的輸電鐵塔上。

2 鐵塔單目視覺測量技術

視覺測量均需通過相機的標定來減小圖像的畸變，方法是采用平均的黑白塊標準板(塊)的實際尺寸和像片尺寸對比求出比例關系進行標定[5-7]。由于標定的條件是在一定距離、焦距和范圍內進行的，因此通常視覺測量只適用于室內，對于空間行架結構的鐵塔，由于仰角大、照相距離不定、照相角度不定、高度高等原因，通常的視覺測量方法無法滿足測量要求。

關于大型物體的視覺測量研究工作也有一定的進展，參考文獻[2]對空間目標的單目視覺測量技術進行了研究，主要內容是通過衛星估計目標的位置，不符合鐵塔測量的要求。參考文獻[3]通過已知面積和投影面積的比可以求出目標距離，這種方法可以通過在鐵塔根部設置標記物測量照相位置和鐵塔的距離，但需要知道標記物和所要測量位置的偏移量，操作復雜。

鐵塔單目視覺測量技術綜合了幾何相似法、幾何形狀約束法、幾何光學測量法等測量方法進行測量。利用各自的優點實現鐵塔尺寸的測量。

3 圖像校正方法

由于圖像相對于實物會發生畸變，圖像和實物的尺寸關系不是一定的比例關系，因此需要對圖像畸變進行校正。

為了探討圖像的校正方法，提高校正的準確性，研究校正方式時采用卡片式小相機，型號為CANON IXUS 85IS。該相機所照的照片可以在照片屬性中顯示出照相的參數，如焦距f。固定照片的像素數，垂直固定一把長鋼板尺，鋼板尺寬度為B，采用不同的距離照相，設相機至鋼板尺間的距離為L，用圖像處理軟件量出鋼板尺寬度對應的像素坐標差值ΔX，讀數時以鋼板尺距離照相機最近的位置讀取。根據相機小孔成像的原理：

(1)

式中：k為常數，k值與像機和鏡頭有關，通過多次變換焦距和距離拍照可擬合求出k。

當鐵塔某個尺寸已知時，則可以通過式(1)求出照相位置距鐵塔的距離L。

根據鐵塔的對稱性還可以測量出相機相對于鐵塔高度位置。這樣就可以得到了2個必要數據L和h，h為鐵塔需要測量位置距相機垂直距離。

鐵塔由于較高，經常采用大仰角照相，大仰角圖像校正就是必要的一環。為了更好地模擬現場和更好地找到修正算法，也需要采用卡片機大仰角拍攝。

4 變形校正算法

設想相機的成像遵循焦半徑的成像原理，物像的成像先在一個虛擬的焦曲面上投影，然后再按比例向CCD感應器上投影，由此設計出如圖1的校正計算。圖1中將直立的鐵塔先看成是豎直的一根線，鐵塔上一點H。

圖1 校正計算

FB為實物在成像中的虛擬投影面，L=OA，dx為dh在投影面上的投影，dx=BC，dh=HE，見圖1。根據圖1得出式(2)：

(2)

對(2)式兩端積分可得圖像尺寸和實際尺寸HA的關系為：

(3)

式(3)中，L可以通過式(1)計算得出，也可以直接通過測距儀測量得出。AG可以通過測距儀實際測量得出，還可以通過測量照相機的實際仰角γ和擴散角β得出。實際距離尺寸測量更為準確，見圖2。

圖2 按角度校正計算示意

用實際仰角γ和擴散角β計算HA值時，式(3)可以變換為式(4)。

(4)

將式(4)和式(1)式聯立可得：

(5)

式(3)、(4)、(5)根據不同的已知條件分別選用。

5 鐵塔單目視覺測量誤差分析

影響基于光學測頭特征點成像的單目視覺坐標測量系統的測量不確定度的主要因素包括兩方面：一方面，與測量系統硬件配置有關的測量不確定度分量；另一方面，與測量系統的參數校準、特征點定位及測量算法等有關的測量不確定度分量[4]。

對鋼板尺實際拍照，光學變焦放大倍數3.0，照相點距離鋼板尺L=4 048 mm，尺子最低點距照相點垂直距離h=85 mm。得到3 648×2 736像素的圖像，鋼板尺的寬度在圖像中為80像素點，實際寬度為30 mm，焦距19 mm。以100 mm間隔讀取尺子的實際讀數DS，圖像中與實際點對應位置的像素坐標X、Y，按公式(3)計算得到測量點距尺子最下端的距離RH，以相鄰兩點做差，則得到實際每100 mm的視覺測量結果CL，并得到相對誤差XD，和絕對誤差JD，見表1。

表1 對鋼板尺進行實際測量和計算的結果

DS/mmX/像素Y/像素RH/mmCL/mmXD/%JD/mm1 0002 02627122.77 100.73 0.73 0.73 9002 0292781 022.03 99.95 -0.05 -0.05 8002 032530922.08 99.29 -0.71 -0.71 7002 035783822.80 99.51 -0.49 -0.49 6002 0381 039723.29 99.43 -0.57 -0.57 5002 0421 297623.86 99.47 -0.53 -0.53 4002 0451 557524.39 99.23 -0.77 -0.77 3002 0481 818425.17 99.86 -0.14 -0.14 2002 0512 082325.31 100.22 0.22 0.22 1002 0542 348225.09 ---02 0572 614----

由表1可知，實際檢測誤差不超過±1%，對于鐵塔變形、形態、位移等的測量已能夠滿足要求。

圖像畸變分為視覺畸變和鏡頭畸變。這里視覺畸變是指由于位置投影關系的不同在圖像上發生的畸變，它和照相的角度及焦距有關。鏡頭畸變是由于鏡頭加工制作過程中造成的鏡片不同位置屈光度不同引起物體圖像的畸變，鏡頭畸變是隨機的，不同的鏡頭引起的畸變不同。

將表1中的CL按圖像高度展開，可得到圖3，由圖3可知，測量結果有一定的對稱性，這種對稱性是鏡頭畸變引起的。

圖3 測量結果沿圖像高度的分布

根據不同相機和鏡頭測試發現，變形主要來自視覺畸變，鏡頭畸變引起的誤差小于1%，在鐵塔宏觀測量中可以容忍，但當采用的鏡頭畸變較大時，需要對鏡頭畸變進行校正，校正的方法是圖像畸變扣除公式(3)計算的視覺畸變后進行擬合求解鏡頭畸變校正算法，這樣就可以大仰角測量物體。

6 鐵塔單目視覺測量技術應用及注意事項

某線路3號鐵塔發生彎曲，為分析彎曲的原因，需要對鐵塔彎曲的部位進行詳細測量。以塔底為零點，以塔頂為頂點做連線，以塔高為橫坐標。以塔腿各位置距連線的距離為縱坐標做曲線，見圖4。圖4中圈形標記處為塔腿變形的折點，說明該部位是引起鐵塔變形的關鍵，需要對該部位進行校正。這樣就解決了鐵塔帶電測量的難點，實現了方便快捷的測量目的。

圖4 3號鐵塔塔腿撓度測量結果

單目鐵塔視覺測量減小了圖像畸變中的視覺畸變，解決了大角度測量的問題，如果需要更精確的測量還需要對鏡頭畸變進行校正。另外鐵塔實際為錐形結構，測量時需要根據鐵塔的幾何參數進一步的修正。

為了減小誤差，如果沒有對鏡頭畸變進行校對，則照相時應將被測量物體置于圖像中部，這樣可以減小測量誤差。采用長焦鏡頭會減小測量誤差，最好選用長焦鏡頭并配三角架。

鐵塔單目視覺測量技術為平面測量，對遠近尺寸不敏感，因此測量時還需要考慮塔材的傾斜因素。為了實現包括深度方向的立體測量，也可以通過拍攝兩張以上的圖像，根據圖像的投影關系，實現單目立體測量。

參考文獻：

[1] 黃桂平，李廣云，王保豐，等.單目視覺測量技術研究[J].計量學報，2004，25(4)：314-317.

[2] 岳 亮，李自田,李長樂,等.空間目標的單目視覺測量技術研究[J].微計算機信息，2007，23(2-3)：273-275.

[3] 韓延祥，張志勝，戴 敏.用于目標測距的單目視覺測量方法[J].光學精密工程,2011，19(5)：1110-1117.

[4] 劉長英，高印寒,車仁生.單目視覺測量系統不確定度的分析

[J].機械工程學報,2008，44(7)：75-78.

[5] 陶聲祥,吳宜燦.基于雙目視覺測量的放療位置驗證方法研究[J].核技術，2007，30(3)：219-221.

[6] 胡 勇 ，劉 強 ，王從軍，等.雙目視覺測量傳感器研究[J].傳感器技術, 2005，24(2)：86-88.

[7] 婁小平，郭美萍.雙目視覺測量系統標定精度提高方法研究[J].北京信息科技大學學報, 2010,25(1):16-20.