基于摄像机旋转的双目立体视觉在接触线覆冰检测中的应用

摘要

随着我国铁路向高寒和偏远地区的延伸，以及恶劣天气的频繁出现，接触网覆冰所带来的影响日益凸显。接触网覆冰带来的危害不仅会影响列车的正常运行，严重时甚至会引发重大事故，其主要危害有:接触线上附着冰壳，导致受电弓无法正常取流;接触线覆冰容易形成冰凌，冰凌刮蹭受电弓，导致受电弓磨耗加剧;接触线覆冰后，由于线密度增大，减小了波动传播速度，进而影响弓网受流质量;风载荷和覆冰值超过设计值，出现覆冰舞动现象;弓网之间产生电弧，瞬时高温会烧伤受电弓和导线。
　　针对目前接触线覆冰监测研究较少，以及研究方法的不足，提出一种基于双目立体视觉的图像监测方法对接触线覆冰进行在线监测。本文首先研究了具有云台装置的摄像机在旋转过程中任意位置外参数的标定方法，使得摄像机在初始标定之后，可以通过一台摄像机旋转以改变角度拍摄同一段覆冰，达到双目立体视觉的目的，解决了传统双目立体视觉内参数不一致、摄像机移动后需要重新标定、监测范围小、需要架设两台摄像机的问题。在特征点提取方面，本文采用小波模极大值算法结合多阈值下的边缘生长，并通过数学形态学方法使提取到的覆冰轮廓为单一像素且连续，该方法具有自适应性，在复杂背景下也具有很好的提取效果。在特征点匹配方面，将特征点分为两种类型，并利用极线和特征点之间的关系进行匹配，提高匹配的精度，并降低匹配过程的时间复杂度。
　　通过双目立体视觉方法，可以重建出接触线覆冰的三维视图，最后通过一定的算法计算平均覆冰厚度和冰凌长度。应用本算法对多组实测图像进行分析，实际结果表明，该方法能够准确计算接触线上的平均覆冰厚度与冰凌长度，精度高，测量误差在6％以内，可以满足监测的需求，且有效扩大了监测范围，为接触线覆冰在线远程测量提供了新的方法。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 输电线路覆冰监测研究现状

1．2．2 双目立体视觉研究现状

1．3 本文研究的内容

2 双目立体视觉原理和步骤

2．1 双目立体视觉原理

2．1．1 摄像机成像模型

2．1．2 双目立体视觉模型

2．2 双目立体视觉的具体步骤

2．3 本章小结

3 覆冰图像采集与基于云台装置的摄像机标定

3．1 接触线覆冰图像采集

3．1．1 摄像机的选取

3．1．2 云台装置

3．2 摄像机标定方法的选择

3．3 云台旋转后任意位置外参数的标定

3．4 云台摄像机标定过程

3．4．1 初始标定

3．4．2 实时标定

3．5 本章小结

4 覆冰图像处理与轮廓特征的提取

4．1 图像预处理

4．1．1 彩色图像转灰度图像

4．1．2 图像消噪

4．1．3 增加图像对比度

4．2 覆冰边缘检测与轮廓特征提取

4．2．1 小波模极大值边缘检测算法

4．2．2 多阈值下的边缘生长

4．2．3 覆冰轮廓提取

4．3 本章小结

5 双目立体视觉下覆冰图像特征点的匹配

5．1 覆冰图像特征点匹配概述

5．2 极线约束原理

5．3 基于覆冰图像轮廓特征的匹配

5．3．1 上边缘的匹配过程

5．3．2 下边缘的匹配过程

5．4 本章小结

6 覆冰图像三维重建与数据分析

6．1 覆冰轮廓的三维重建

6．2 覆冰厚度测量与冰凌长度的计算

6．3 测量结果和数据分析

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 论文总结

7．2 工作展望

参考文献

作者简历

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