基于嵌入式圖像識別技術的空間小位移測量

王天正 李 揚 蘆竹茂 王千山 張興忠

1(國網山西省電力公司電力科學研究院 山西 太原 030001)2(國家電網公司信息通信分公司 北京 100761)3(太原理工大學計算機科學與技術學院 山西 太原 030024)

基于嵌入式圖像識別技術的空間小位移測量

王天正1李 揚2蘆竹茂1王千山3張興忠3

1(國網山西省電力公司電力科學研究院 山西 太原 030001)2(國家電網公司信息通信分公司 北京 100761)3(太原理工大學計算機科學與技術學院 山西 太原 030024)

監測GIS(Gas Insulated Switchgear)組合電器母線艙空間位置狀態變化情況是保證GIS組合電器系統安全穩定運行的重要環節。針對戶外GIS組合電器母線艙空間位移形變工況監測存在的問題，并基于單目視覺測距方法，提出一種基于嵌入式系統的空間小位移測量方法。設計了兩種視覺識別標識，簡化了識別過程。通過對攝像頭采集的圖像進行處理，使用視覺標識獲取被測對象的空間小位移，實現對GIS母線艙三維空間位移的非接觸式測量。該技術可避免復雜的攝像頭系統標定和大量的比對計算，在空間小位移測量應用中有一定的參考價值。

GIS組合電器設備 單目視覺 非接觸測量 視覺識別標識 小位移

0 引 言

GIS氣體絕緣密封式組合電器設備，由于其占地面積小、安全性強、維護工作量小等特點，現已廣泛應用于不同電壓等級的電力變電站中。GIS設備日常運維中需要對母線艙空間位置變化進行實時監測預警，以保證GIS系統的安全穩定運行。根據不同廠家的設計，在波紋補償器的保護下，母線艙的安全形變一邊小于±10 mm，因此測量裝置的量程應當大于±13 mm，分辨率小于0.5 mm[1]。目前國內外研究領域所關注的主要測距技術有激光測距、超聲波測距和計算機視覺測距[2]。激光測距是一種高精確度的測距方式，但由于激光測距對設備的安裝和運行環境有很高的要求，在露天環境的實際操作中難以達到要求，且激光測距不能直接實現對三維空間的位移測量。超聲波測距技術是眾多測距技術中相對較為成熟的一種，在距目標3～5 m時效果較好，若距離小于1 m，則測量誤差較大，不適合在狹小空間使用。計算機視覺測距屬于典型的非接觸式測量方式，在制造行業已經得到了廣泛應用[3]。基于嵌入式系統與圖像識別技術進行空間小位移測距裝置的開發，能夠有效地發揮其功能強、功耗低、運行穩定、安裝便捷的特點。

1 圖像識別的基本原理

在基于圖像識別的空間位移測量中，垂直于光軸方向的位移一般通過比對圖像中某一特征區域的前后位置變化獲取。相對而言，獲取平行于光軸方向的目標距離信息較為復雜。

如圖1所示，根據小孔成像原理，任意點P1在圖像中的投影位置P2。(Xc,Yc,Zc)為P1在世界坐標系下的坐標，(x,y)為P1點在攝像頭坐標系下的坐標[4]。

圖1 小孔成像原理圖

在將攝像頭采集到的圖像轉化為數字圖像存儲的過程中，需要將圖像投影到二維平面直角坐標系下，并在圖像中心點(u,v)建立相對應的物理坐標系[5]。通過計算，可以得到世界坐標系下P1點坐標和攝像頭成像面上P2點的坐標對應關系：

(1)

其中ax=f/dx，ay=f/dy。dx、dy分別為單個像素在X、Y方向上的實際物理大小。

通過采集多個點的信息，可以間接地獲得目標距離信息：

(2)

從式(1)、式(2)中可知，空間位移測量的關鍵是找到所需的特征點。在已知攝像頭焦距的情況下，通過特征點即可獲得計算所需的dx、dy，并進一步獲取目標距離信息Lc。

圖像特征提取的一般過程為：局部平滑處理、基于區域進行分割、提取區域內的圖像特征信息，如灰度直方圖等。特征提取是目前在計算機視覺中廣泛使用的處理技術，特征提取得到的主要信息為被測量物體本身材質的物理表面紋理特性[6]。

從提取出的信息中選取較為穩定的數據，作為特征信息用作比較[7]。然而，采用上述的圖像識別算法，產生的信息量大、占用資源多、運算時間久、耗能高，與低功耗設計思路不符。

為了滿足嵌入式系統的設計要求，設計并制作了兩種針對不同環境的識別標識，分別以標識邊緣、形心的相對位置信息作為特征信息。在處理過程中，可以在較短的工作時間內獲得測量空間位移的全部特征數據信息，可以獲得適應性較強、穩定性良好的識別效果[8]。然而，采用的攝像頭存在桶形畸變，需要對獲得的數據進行一定的處理來消除誤差[9]。

2 視覺標識設計

設計附著于被觀測設備表面的標識，通過識別標識來獲取圖像的位置信息，避免了對自然背景的識別與處理[10]。使用這種方法，能夠降低程序所需的運行空間，并提高運行速度和識別效率。在開發過程中，考慮到不同的工作條件與環境，設計了兩套針對性有所不同的標識，分別為井字形條帶格與四點陣列標識。

2.1 井字形條帶格

圖2所示是井字形條帶格標識(以下稱標識1)，其物理尺寸如圖所示。計算方式為識別黑色條帶的下邊緣和右側邊緣，測量出圖像中水平和垂直兩個方向上條帶的間隔，與標識本身的實際尺寸進行比較，確定邊緣間的空間位置關系，計算在相應方向上的單個像素點所代表的物理大小。對比前后圖像特征信息，獲得GIS設備空間位置變化信息。

圖2 井字形條帶格標識

2.2 四點陣列標識

圖3為四點陣列標識(稱標識2)的PCB板圖，其物理尺寸如圖中所示。電路中，將4枚LED燈的陰極引出，便于之后連接控制使用。

圖3 四點陣列標識PCB板圖

該標識的識別原理是找到4個LED燈在圖像中的對應空間位置關系，計算獲得在相應方向上的單個像素點所代表的物理大小。對比圖像前后特征信息，獲得GIS設備空間位置變化信息。

將標識1和標識2組合形成組合標識，可以保證在多種工作環境下獲得良好的識別效果。

3 視覺標識位置信息的獲取

視覺位移測量的完整識別過程包括：通過攝像頭采集圖像、圖像預處理、圖像特征提取、處理特征信息，獲得計算所需的特征點信息，進而計算位圖圖像中獨立像素點在X、Y方向上所代表的實際物理大小；比對前后幀圖像中的特征點信息，分別計算出目標在世界坐標系下，空間各方向上的位移情況。

3.1 視覺標識識別流程

如圖4所示，視覺識別標識的識別算法可以劃分為圖中步驟，最終得到實際的空間位移大小。

圖4 標識識別流程圖

獲取目標圖像時，根據圖像的特征以及攝像頭的感光原理，將像素點顏色信息由RGB色彩空間轉換到灰度級，并進行二值化處理。

對標識1的圖像在統計每行、列上Value=1的像素數量，形成兩個線性隊列空間X={a1,a2,…,an}、Y={b1,b2,…,bn},在線性隊列空間中，找到圖像邊緣信息{x1、x2}{y1、y2}，作為特征信息存放。得到D1(x1,y1)，D2(x2,y2)，D3(x1,y2)，D4(x2,y1)。

在已知標識的物理尺寸情況下，通過對比兩個方向上的相對應的邊沿位置{x1、x2}、{y1、y2}，通過式(3)計算獲得在相對應方向上單個像素在X、Y方向上的實際物理大小dx、dy，其中L為標識的物理大小。

(3)

根據特征點之間的關系，通過式(4)計算獲得在相對應方向上單個像素在X,Y方向的實際物理大小dx、dy，其中L為標識的物理大小。

(4)

3.2 標識邊緣位置信息獲取

(1) 如圖5所示，分別將獲得的線性隊列X={a1,a2,…,an}、Y={b1,b2,…,bn}按照空間序列展開，計算序列內各點處斜率f′(n)。

圖5 線性隊列空間展開圖

在運算過程中，程序僅需要存儲線性隊列X、Y，以一張320×240像素彩色圖像為例，轉換后，所需存儲空間為1.09 KB，為原圖像大小的0.7%。當圖像大小固定時，算法的時間復雜度T(n)=O(1)。

3.3 標識形心位置信息獲取

(2) 設形心坐標為(a,b)，使a=x1、b=y1，順序讀取矩陣Z中元素，判斷Z各點是否在以(a,b)為形心，以MaxX、MaxY為長、寬的候選區域內。如果在候選區域內，則按照式(5)重新計算當前形心坐標點(a,b)，并將該點從矩陣Z中去除。

(5)

其中，n為當前候選區域內所包含點的個數。當遍歷矩陣Z之后，記錄當前形心坐標，記為點D1。重復上述步驟，依次獲得點D2,D3,D4，如圖6所示。

圖6 標識2圖像二值化

在運算過程中，程序僅需要存儲二維矩陣Z，以一張320×240像素彩色圖像為例，轉換后，所需存儲空間為3 KB，為原圖像大小的1%。當圖像大小固定時，算法的時間復雜度T(n)=O(1)。

由dx、dy及鏡頭焦距f可計算出攝像頭到目標標識的距離信息Lc。比對前后幀圖像中的特征點信息，獲得空間各方向上的位移信息。

OV2640采用廣角鏡頭會產生桶形畸變，或攝像頭的軸線垂直于被測平面發生了傾斜等多種原因[9]。因此需要對獲得的數據進行畸變校正，本文采用二階插值方式對特征數據進行矯正。通過計算得到二階插值函數式(6)，其中x表示在垂直于光軸方向上的位移大小，F(x)表示校正后的位移大小。

F(x)=0.001 54×x2-0.673 2×x+8.947

(6)

4 硬件結構設計

將兩種識別標識組合使用后，形成本文所設計的嵌入式視覺位移測量的硬件系統。整個系統分為兩大模塊：圖像信息采集模塊和圖像信息處理模塊。圖像信息采集模塊需要實現圖像的實時采集、顯示，以及標識控制功能；圖像信息處理模塊則需要對圖像信息采集模塊獲得的圖像進行濾波、降噪、灰度化、數據降維，通過運算處理，獲得圖像特征信息，最終實現位移測量功能并將結果顯示到LCD屏上。

測量裝置的設計量程如下：

垂直于光軸方向：±13 mm；單方向測量分辨率：≤0.5 mm；平行于光軸方向：±20 mm,單方向測量分辨率：≤1 mm。

在本文中所有的算法驗證與實驗操作均基于STM32F407處理芯片并配合OV2640圖像傳感器進行系統的開發與調試。

5 實驗與結果

如圖7所示，將標識放置在水平位移臺上。將嵌入式視覺位移測量裝置水平放置，其上攝像頭正對組合識別標識。通過調節旋鈕，控制水平位移臺移動。觀察LCD屏幕上顯示的示數變化。

圖7 模擬實驗

表1為垂直于光軸方向位移測量結果，表2為平行于光軸方向位移測量結果。從表中可以看出，在垂直于光軸方向量程內，誤差率控制在1%以內，在平行于光軸方向量程內，誤差率控制在2%以內。上述結果，證明了算法的可行性，并說明本文的測量方法在小位移測量上具有較高的精度。

表1 垂直于光軸方向位移

表2 平行于光軸方向位移

6 結 語

本文提出的基于嵌入式圖像識別技術的空間小位移測量方法，可用于在近距離測量目標的空間小位移，具有測量精度高、響應速度快的特點。只要將使用的標識附著在目標物體上，即可實現對任意物體的空間小位移測量。該技術可以廣泛使用在GIS組合電器設備運行狀態監控中，在空間小位移測量應用中有一定的參考價值。

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[10] 王燁.基于Android系統的智能導航小車設計[D].天津大學,2014.

SMALLDISPLACEMENTMEASUREMENTBASEDONIMAGERECOGNITIONTECHNOLOGYEMBEDDEDSPACE

Wang Tianzheng1Li Yang2Lu Zhumao1Wang Qianshan3Zhang Xingzhong31

(StateGridShanxiElectricPowerResearchInstitute,Taiyuan030001,Shanxi,China)2(StateGridInformationandTelecommunicationBranch,Beijing100761,China)3(CollegeofComputerScienceandTechnology,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,Shanxi,China)

GIS combination of electrical bus cabin spatial position and state monitoring is an important guarantee for GIS combination electrical system safe and stable operation. Aiming at the problems of electrical bus cabin space displacement deformation monitoring in outdoor GIS, the method of spatial small displacement measurement based on embedded system and monocular vision ranging method is proposed. We designed two visual identification marks to simplify the identification process. Non-contact displacement measurement of three-dimensional GIS busbar compartment is realized through the image processing captured by the camera, using spatial visual identity to obtain small displacements measured object. This technique can avoid complex camera system calibration and a large number of comparison calculations, which has some reference value in small space displacement measurement applications.

GIS Monocular vision Non-contact displacement measurement Visual Identification Small displacement

TP274

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.09.041

2016-09-27。國家電網公司科技項目(520530150015)。王天正，高工，主研領域：高電壓絕緣。李揚，工程師。蘆竹茂，碩士。王千山，碩士生。張興忠，副教授。