覆冰數(shù)據(jù)是指導(dǎo)電力線路防冰、抗冰工作決策的重要依據(jù)，對(duì)保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義，必須采用可靠且準(zhǔn)確的測(cè)量方法獲得。目前，采用攝影測(cè)量的方法能直觀地獲得電力線路的覆冰狀況。通過對(duì)線路覆冰前后的圖像進(jìn)行分析來確定被測(cè)物體的位置、尺寸和形狀，并提取覆冰圖像的邊緣輪廓，從而計(jì)算出覆冰厚度。

由于電力線路安裝的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境是多樣的，有高山、平地，背景植被的顏色會(huì)隨著季節(jié)的變化而發(fā)生變化；且電力線路的覆冰情況復(fù)雜多變，不單會(huì)出現(xiàn)規(guī)則覆冰，在特定的環(huán)境條件下還會(huì)出現(xiàn)如冰凌的不規(guī)則覆冰，現(xiàn)有圖像監(jiān)測(cè)方法都是對(duì)采集的二維圖像進(jìn)行處理和識(shí)別，很難精確地將背景干擾與導(dǎo)線圖像準(zhǔn)確分離，易受攝像機(jī)位置和角度的影響。使用單目圖像對(duì)不規(guī)則覆冰的圖像識(shí)別精度較低，不能對(duì)覆冰情況進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

鑒于此，有人提出用雙目圖像來測(cè)量覆冰的厚度，但是由于覆冰的自遮擋、陰影，以及鏡頭視場(chǎng)大小和景深的限制，雙目立體測(cè)量系統(tǒng)不能通過一次測(cè)量得到被測(cè)物體表面的所有數(shù)據(jù)，須從不同的視點(diǎn)進(jìn)行多次測(cè)量，且雙目圖像匹配需要消耗大量的運(yùn)算資源，在匹配過程中有些歧義很難自動(dòng)消除，所以具有事后運(yùn)算需要人工干預(yù)和修正的特點(diǎn)，一般很難用于實(shí)時(shí)的三維感知和測(cè)量。

本文基于三維即時(shí)成像立體視覺技術(shù)，獲取導(dǎo)地線覆冰的四目圖像，測(cè)量覆冰層的厚度。它是建立在平行光軸四像機(jī)矩陣布局基礎(chǔ)上的一種純光學(xué)圖像三維測(cè)量系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)至少包括一組2×2陣列、光軸平行布置的數(shù)碼相機(jī)組，通過空間幾何數(shù)據(jù)的分析對(duì)多幅圖像進(jìn)行關(guān)聯(lián)匹配，從而消除雙目匹配過程中普遍產(chǎn)生的歧義性，完全擺脫了對(duì)結(jié)構(gòu)光等輔助手段的依賴。

在未來的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景中，有大量的應(yīng)用是運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的，尤其是覆冰的電力線路所處山區(qū)偏遠(yuǎn)，地質(zhì)條件復(fù)雜，這些環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)連接選擇無線遠(yuǎn)距離傳輸通信模塊（long range radio, LoRa）更為合適。

綜上，本文基于三維即時(shí)成像立體視覺技術(shù)，利用搭載LoRa模塊的四目相機(jī)對(duì)導(dǎo)地線覆冰進(jìn)行厚度測(cè)量，可對(duì)覆冰厚度信息進(jìn)行及時(shí)分析，并做出相應(yīng)的處理結(jié)果輔助決策建議，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)地線覆冰的“智慧”檢測(cè)。

1 測(cè)量原理

1.1 三維即時(shí)成像立體視覺

三維即時(shí)成像立體視覺包括4臺(tái)焦距、分辨率等各項(xiàng)參數(shù)完全一樣的圖像采集設(shè)備，該4臺(tái)相機(jī)中心組成一個(gè)平面矩陣，所有相機(jī)的光軸相互平行。它是仿照人類完善的視覺系統(tǒng)，以純光學(xué)成像的技術(shù)線路，模仿人眼功能原理的三維成像相機(jī)組。

基于平行雙目三維運(yùn)算視差原理，不同深度的被視點(diǎn)，都具有不同的視差值，深度值和視差值兩者之間成反比，且被視點(diǎn)的深度值還與兩幅圖像之間的基線距離以及相機(jī)鏡頭的焦距成正比。

該矩形結(jié)構(gòu)分布特征的四目系統(tǒng)可以克服雙目立體視覺系統(tǒng)的空間位置精度與匹配精度的矛盾。這樣就產(chǎn)生了4組平行雙目匹配關(guān)系（矩形的垂直方向也完全可以理解為雙目平行匹配），使原來雙目的單一不確定性匹配，變?yōu)樗慕M雙目的具有強(qiáng)幾何約束的確定性匹配。

1.2 覆冰厚度測(cè)量流程

首先獲得清晰的二維覆冰圖像是準(zhǔn)確計(jì)算覆冰厚度的先決條件。本文從4個(gè)視角觀察輸電線路，獲取從不同角度得到的圖像，然后確定相機(jī)的內(nèi)參數(shù)與外參數(shù)，建立覆冰線路的空間坐標(biāo)點(diǎn)同它在圖像平面上像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系式。將圖像進(jìn)行預(yù)處理，突出所需要的信息，降低干擾噪聲。對(duì)應(yīng)覆冰線路上的同一個(gè)空間物理點(diǎn)在不同圖像中的像點(diǎn)，對(duì)特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，最后通過計(jì)算即可求得覆冰輪廓的三維坐標(biāo)，具體測(cè)量流程如圖1所示。

圖1 測(cè)量流程圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

電力線路覆冰厚度測(cè)量系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)由四目相機(jī)、地面工作站、LoRa無線傳輸模塊和電池模塊4部分組成。依托平行光軸四相機(jī)陣列硬件結(jié)構(gòu)，后臺(tái)內(nèi)置通用算法，滿足測(cè)量覆冰厚度的需要。

圖2 硬件總體架構(gòu)

2.2 四目相機(jī)

四目相機(jī)是由4個(gè)圖像傳感器焊接在同一塊電路板上，圖像傳感器光學(xué)中心呈矩形布置，四個(gè)傳感器的掃描線水平對(duì)齊且垂直對(duì)齊。圖像采集電路采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（field programmable gate array, FPGA）控制圖像采集，依靠硬件觸發(fā)電路，實(shí)現(xiàn)4幅圖像的同步采集，滿足高速同步測(cè)量的要求，依靠千兆網(wǎng)口或其他圖像數(shù)據(jù)接口輸出數(shù)據(jù)。

鏡頭采用C型接口鏡頭，焦距根據(jù)測(cè)量距離選擇不同的焦距，距離遠(yuǎn)可以選擇長(zhǎng)焦鏡頭，覆冰導(dǎo)線的測(cè)量距離為8～15m，因此鏡頭焦距為35mm定焦鏡頭。

圖3 四目相機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2.3 地面工作站

地面工作站硬件為一臺(tái)筆記本電腦，軟件實(shí)現(xiàn)的功能有拍攝控制、三維運(yùn)算和數(shù)據(jù)管理。軟件平臺(tái)如圖4所示。

圖4 軟件平臺(tái)

2.4 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用的是LoRa模塊，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、LoRa通信，解決遠(yuǎn)距離、分散采集、快速組網(wǎng)的問題，不需要對(duì)模塊進(jìn)行二次開發(fā)。該模塊工作頻率433Hz，功率2W，傳輸距離2km。

在廣播透?jìng)髂Ｊ较?，模塊不改變數(shù)據(jù)和協(xié)議，所發(fā)即所收；在星型協(xié)議組網(wǎng)通信模式下，節(jié)點(diǎn)是間歇性休眠的，中心模塊發(fā)給節(jié)點(diǎn)模塊只需要在數(shù)據(jù)前面加入節(jié)點(diǎn)模塊的地址編碼，節(jié)點(diǎn)模塊發(fā)給中心模塊則是通過透明傳輸方式，節(jié)點(diǎn)之間不會(huì)相互干擾。

2.5 電池模塊

電池模塊采用鋰電池直流供電方式，滿足四目相機(jī)圖像采集板、嵌入式計(jì)算機(jī)板和無線模塊的用電需求。三塊板各自的功率分別為6W、20W、2W，共28W。電池組按DC 12V，6000mA?h，供電時(shí)長(zhǎng)不低于2.5h。

3 系統(tǒng)主要功能

3.1 四目相機(jī)功能

• 1）單路相機(jī)圖像動(dòng)態(tài)采集并利用高清多媒體接口（high definition multimedia interface, HDMI）圖傳通道實(shí)時(shí)圖傳。
• 2）由單路圖像采集切換為四相機(jī)組進(jìn)行圖像同步采集。
• 3）二維圖像同步采集、本地存儲(chǔ)和利用數(shù)據(jù)接口下載。

3.2 無線模塊功能

四目相機(jī)中的無線接收裝置能夠接收地面工作站發(fā)出的各類命令，并將命令傳輸?shù)剿哪肯鄼C(jī)中的嵌入式計(jì)算機(jī)板。

3.3 地面工作站功能

• 1）自動(dòng)接收四目相機(jī)的4幅同步采集圖像，實(shí)時(shí)接收和存儲(chǔ)多次多角度的同步采集圖像。
• 2）同步采集四目相機(jī)的4幅圖像，進(jìn)行三維運(yùn)算，得到導(dǎo)地線覆冰的三維立體圖像。
• 3）根據(jù)導(dǎo)地線三維圖像，自動(dòng)計(jì)算和描述該視角下導(dǎo)地線覆冰的最大外部輪廓，以及視場(chǎng)范圍內(nèi)該輪廓在不同截面的位置和形狀，計(jì)算得到最大截面和最小截面，以及平均截面的冰輪廓間的距離 尺寸。
• 4）根據(jù)導(dǎo)地線的型號(hào)以及同一測(cè)量位置上多個(gè)視角的覆冰輪廓，自動(dòng)計(jì)算覆冰平均厚度。
• 5）具有單次和累計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄、顯示和導(dǎo)出功能。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及分析

4.1 戶外模擬測(cè)試

為驗(yàn)證本文測(cè)量方法的有效性和準(zhǔn)確性，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)。將型號(hào)為L(zhǎng)GJ-400/35、直徑約為26.82mm的導(dǎo)線，放置于飲料瓶中，加水靜置于高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱，溫度設(shè)定為◆40℃、持續(xù)時(shí)間為48h，進(jìn)行低溫試驗(yàn)?zāi)M覆冰過程，得到覆冰后的導(dǎo)線，如圖5所示。

圖5 模擬導(dǎo)線覆冰

為了模擬真實(shí)的電力線路環(huán)境，特意在戶外搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，固定好覆冰的導(dǎo)線，架設(shè)四目相機(jī)，順光拍攝，盡可能避免樹木、植被等干擾背景，進(jìn)行圖像采集，如圖6所示。

圖6 戶外模擬實(shí)驗(yàn)

通過四目相機(jī)，獲取覆冰的導(dǎo)線圖片，如圖7所示。再根據(jù)場(chǎng)景的遠(yuǎn)近，剔除導(dǎo)線之外的背景圖像進(jìn)行導(dǎo)線的邊緣提取，得到軟件處理后的測(cè)量圖，如圖8所示。通過同一測(cè)量位置上多個(gè)視角的覆冰輪廓，自動(dòng)計(jì)算覆冰平均厚度。

圖7 戶外測(cè)量圖

圖8 軟件測(cè)量圖

在每次采集圖像的同一時(shí)刻，對(duì)覆冰的導(dǎo)線進(jìn)行人工手動(dòng)測(cè)量，得到實(shí)際寬度值。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，覆冰層從厚變薄的過程，可模擬電力線路不同情況下的覆冰厚度，得到不同的覆冰厚度數(shù)據(jù)，見表1。

表1 覆冰厚度數(shù)據(jù)

由表1數(shù)據(jù)可見，本文研究的測(cè)量方法能夠有效地檢測(cè)出覆冰導(dǎo)線的邊緣。在測(cè)試的這10組數(shù)據(jù)中，與實(shí)際測(cè)量最大誤差為0.97mm。對(duì)于導(dǎo)線覆冰厚度測(cè)量來說，這樣的誤差值是可以接受的。

此外，為了模擬導(dǎo)地線處于雜亂的背景下，特意在復(fù)雜背景下搭建實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。將背景圖像設(shè)為樹枝、雜草、墻壁、鐵圍欄及其他建筑物。如圖9所示。圖10為復(fù)雜背景下軟件測(cè)量圖。對(duì)不同規(guī)格的導(dǎo)地線進(jìn)行拍攝，以不同直徑的導(dǎo)地線來模擬不同覆冰厚度，從而對(duì)本文測(cè)量方法進(jìn)行驗(yàn)證，得到的數(shù)據(jù)見表2。

通過對(duì)復(fù)雜背景下的7種導(dǎo)線及2種地線的測(cè)量，得到最大誤差為±1.62mm，滿足電力線路覆冰厚度測(cè)量偏差的要求。如果提高圖像的分辨率，還可以大大減小誤差的絕對(duì)值。

圖9 復(fù)雜背景下實(shí)驗(yàn)搭建圖

圖10 復(fù)雜背景下軟件測(cè)量圖

表2 復(fù)雜背景下導(dǎo)地線直徑數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文采用4臺(tái)相機(jī)平行光軸布置形成矩陣陣列，極大簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，使三維匹配運(yùn)算實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，具有匹配快速、運(yùn)算簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，完全可以實(shí)現(xiàn)芯片化。其硬件布置形式和成像原理，基本避免了歧義，從而擺脫了對(duì)結(jié)構(gòu)光等輔助手段的依賴，在機(jī)器視覺領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了通用、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離和被動(dòng)成像的三維檢測(cè)，彌補(bǔ)了單/雙目+結(jié)構(gòu)光和飛行時(shí)間技術(shù)（time of flight, TOF）等三維成像既有技術(shù)線路中的功能空白，通過在任意距離上的實(shí)時(shí)成像功能，且采用LoRa技術(shù)模塊，能夠滿足導(dǎo)地線覆冰厚度測(cè)量需要的野外和大視場(chǎng)范圍需求。

目前，對(duì)基于三維即時(shí)成像立體視覺技術(shù)的電力線路覆冰厚度測(cè)量的研究較少，因?qū)嶒?yàn)條件限制，本文只進(jìn)行了人工模擬覆冰的實(shí)驗(yàn)，今后還需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的導(dǎo)地線覆冰進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)導(dǎo)地線覆冰的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、清晰測(cè)量和高效融解，使電網(wǎng)從懼怕冰災(zāi)轉(zhuǎn)變?yōu)閺娜輵?yīng)對(duì)。