三维重建技术在电力设备图像监测中的应用

论文摘要

我国是世界上输电导线覆冰最严重的国家之一，覆冰将使输电导线发生如倒杆(塔)、绝缘子串闪络等严重危害电力系统安全运行的事故，影响各行业生产工作的稳定性，造成不可估量的经济损失。因此，做好输变电设备覆冰的监测和预防工作能够避免覆冰引发的重大事故，对电力系统的安全运行具有重要意义。针对现有覆冰厚度检测方法的不足，提出一种基于图像三维重建的绝缘子和输电导线覆冰在线监测方法，即通过嵌入式图像采集系统在线采集绝缘子和输电导线覆冰前后的图象，经ZigBee无线网络传送到上位机控制中心，由上位机对图像进行处理，重建绝缘子和导线三维覆冰模型，利用重建模型计算覆冰厚度、体积等参数。本文所用监测系统运用了计算机双目视觉技术，采用两台相同型号摄像机在相近位置以不同角度采集同一片绝缘子或同一段导线覆冰图像，利用图像间的视差得到平面点与空间点的对应关系，通过摄像机标定计算关联系数，再经特征点提取得出覆冰轮廓，并由匹配点计算出覆冰轮廓上各点在三维空间的深度，从而重建出绝缘子和导线覆冰的三维模型。最后将三维模型作了点云和网格两种表示，通过网格模型计算覆冰厚度和重量等。本文应用所提方法对多组实测图像进行三维重建和比较分析，得到的三维重建模型可清晰看出覆冰三维轮廓，还原度高，能够直观反映覆冰形态。同时能够准确计算绝缘子和导线覆冰的厚度和体积，与人工测量数据比较相对误差均在10%以下。且针对绝缘子监测，可以给出覆冰的最大厚度所在位置；针对导线监测，可以计算出覆冰沿导线分布状况，得到导线覆冰厚度分布曲线。该方法能够得到多种覆冰状态信息，为覆冰程度的判断和定位给出一定的依据，现场应用的结果也表明其准确度满足工程应用的要求，在输变电设备覆冰在线监测上有巨大的发展前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 输变电设备覆冰研究现状
• 1.2.2 三维重建研究现状
• 1.2.3 三维重建在电力行业的研究现状
• 1.3 本文的研究内容
• 2 三维重建原理及其结构体系
• 2.1 双目立体视觉三维重建原理
• 2.2 三维重建算法步骤
• 2.3 小结
• 3 覆冰图像采集与无线传输
• 3.1 覆冰图像采集
• 3.1.1 监测系统组成和图像采集硬件实现
• 3.1.2 图像采集软件流程
• 3.1.3 导线和绝缘子图像获取
• 3.2 无线传输流程
• 3.2.1 ZigBee 无线传输协议
• 3.2.2 H.264 编码
• 3.2.3 无线传输软件流程
• 3.3 小结
• 4 摄像机标定
• 4.1 摄像机标定原理
• 4.1.1 参考坐标系
• 4.1.2 平面坐标和空间坐标关系
• 4.2 摄像机标定方法选择
• 4.3 标定实现
• 4.4 小结
• 5 覆冰图像特征点提取与匹配
• 5.1 特征点提取与匹配方法选择
• 5.2 覆冰图像特征点提取与匹配算法流程
• 5.2.1 导线覆冰图像特征点提取算法
• 5.2.2 绝缘子覆冰图像特征点提取算法
• 5.2.3 覆冰图像特征点匹配算法
• 5.3 覆冰图像特征点提取与匹配实现
• 5.4 小结
• 6 覆冰图像三维重建
• 6.1 基于 OPENGL 的三维重建
• 6.1.1 基于 OpenGL 的软件流程
• 6.1.2 绘制覆冰重建点云图
• 6.2 覆冰三维重建结果与分析
• 6.2.1 导线覆冰状态参数提取与分析
• 6.2.2 绝缘子覆冰状态参数提取与分析
• 6.3 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录：