變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)中廣角鏡頭成像畸變校正裝置研究

林逢春，朱永生，錢二剛，谷 慧，毛亞勝

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春 130021；2.國網(wǎng)延邊供電公司，吉林 延吉 133000；3.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，長春 130021；4.上海申瑞電網(wǎng)控制系統(tǒng)有限公司，上海 201615）

隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)深化和對(duì)電網(wǎng)安全要求的進(jìn)一步提高，為變電站配置作業(yè)安全管控系統(tǒng)已經(jīng)成為提高電網(wǎng)安全性的有效技術(shù)措施之一。定位技術(shù)可以提高變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)的技術(shù)性能和實(shí)用化程度，可以提升變電站作業(yè)安全管理的自動(dòng)化水平［1］。目前建設(shè)的基于計(jì)算機(jī)視覺定位技術(shù)的變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)，需要連續(xù)采集變電站現(xiàn)場的圖像以確定動(dòng)態(tài)目標(biāo)的物理位置和活動(dòng)趨勢，以此評(píng)估其對(duì)人身安全、設(shè)備安全、運(yùn)行安全的影響。由于變電站（特別是高壓變電站）占地面積大，利用廣角鏡頭進(jìn)行拍攝，可以減少布設(shè)攝像機(jī)的數(shù)量，降低對(duì)攝像機(jī)架設(shè)高度和位置的要求，但由于廣角鏡頭固有的特性，圖像存在著一定程度的非線性畸變失真，若直接使用畸變圖像進(jìn)行空間映射變換，無法保證定位精度，因此，如何校正畸變圖像，使其能夠控制在一定精度范圍內(nèi)，保證作業(yè)管控系統(tǒng)對(duì)動(dòng)態(tài)目標(biāo)的快速物理定位并保持較高精度，是變電站作業(yè)管控系統(tǒng)實(shí)用化需要解決的重要問題。

1 廣角鏡頭成像畸變的常見類型

人們熟知的常用攝像機(jī)鏡頭一般有普通光學(xué)鏡頭和廣角光學(xué)鏡頭。普通光學(xué)鏡頭其成像角度大約為90度，所以其拍攝范圍小，而廣角鏡頭成像角度則可達(dá)130度，其拍攝范圍比普通鏡頭大幅增加，但同時(shí)也帶來了圖形在成像時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的畸變效果。畸變是由于光線的傾斜度大引起的，與球差和像散不同，畸變不破壞光束的同心性，從而不影響成像的清晰度?；儽憩F(xiàn)在像平面內(nèi)圖形的各部分與原物不成比例?；兊那闆r與光闌的位置有關(guān)［2］。

根據(jù)鏡頭的物理結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，其常見的畸變主要有以下幾種：枕形畸變，又稱枕形失真，它是由鏡頭引起的畫面向中間“收縮”的現(xiàn)象。我們在使用長焦鏡頭或使用變焦鏡頭的長焦端時(shí)，容易察覺枕形失真現(xiàn)象。桶形畸變，又稱桶形失真，是由鏡頭中透鏡物理性能以及鏡片組結(jié)構(gòu)引起的成像畫面呈桶形膨脹狀的失真現(xiàn)象，在使用廣角鏡頭或使用變焦鏡頭的廣角端時(shí)，容易察覺桶形失真現(xiàn)象。線性畸變，又叫線性失真，當(dāng)試圖近距離拍攝高大的直線結(jié)構(gòu)，比如建筑物或樹木的時(shí)候，假設(shè)使用的是廣角鏡頭，并認(rèn)為只把照相機(jī)稍微向上瞄準(zhǔn)一點(diǎn)，即使離得很近也能把整個(gè)結(jié)構(gòu)拍攝下來，但是實(shí)際上平行的線條顯得并不平行了，結(jié)果是建筑物或樹木好像要傾倒下來似的，這種失真現(xiàn)象被稱為線性畸變。幾種常見的畸變類型見圖1。

圖1 常見的畸變類型

2 廣角鏡頭成像畸變校正裝置的硬件結(jié)構(gòu)與軟件算法

針對(duì)廣角攝像鏡頭所存在的畸變問題，通過研制一種用于變電站視頻廣角鏡頭成像畸變校正的裝置，嵌以畸變校正軟件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站環(huán)境快速、大范圍的拍攝并減少失真，從而為視覺定位提供良好的基礎(chǔ)條件。

2.1 成像畸變校正裝置的硬件結(jié)構(gòu)

用于變電站視頻廣角鏡頭成像畸變的校正裝置，采用標(biāo)準(zhǔn)化的6U 高度、19寸型機(jī)械結(jié)構(gòu)的工業(yè)機(jī)箱，裝置內(nèi)配置視頻輸入單元、視頻信號(hào)放大器、視頻解碼器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、圖像數(shù)字處理器、高速以太網(wǎng)、指示信號(hào)燈、開關(guān)電源模塊等工作單元。其中，視頻輸入單元的輸入與安裝有廣角鏡頭的攝像機(jī)相接，該單元的輸出端連接至視頻信號(hào)放大器的輸入端，視頻信號(hào)放大器的輸出端連接至視頻解碼器的輸入端，視頻解碼器的輸出端連接至模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸入端，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出端連接至圖像數(shù)字處理器輸入端，圖像數(shù)字處理器的輸出端連接至高速以太網(wǎng)和指示信號(hào)燈。開關(guān)電源模塊則通過EMC模塊連接至視頻信號(hào)放大器、視頻解碼器、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、圖像數(shù)字處理器、高速以太網(wǎng)、指示信號(hào)燈。

裝置采用TMS320DM6437DSP 作為圖像數(shù)字處理器。TMS320DM6437是美國TI公司推出的專為高性能視頻應(yīng)用開發(fā)的達(dá)芬奇（DaVinci（TM））技術(shù)的處理器系列，其主頻為600 MHz，支持8個(gè)8位或4個(gè)16位并行MAC 運(yùn)算，峰值處理能力高達(dá)4 800 MIPS，可實(shí)時(shí)處理8路CIF或3路D1格式的H.264編碼算法；采用2 級(jí)Cache存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)，存儲(chǔ)器體系結(jié)構(gòu)靈活、合理，有利于提高圖像處理代碼/數(shù)據(jù)的吞吐率；片上具有64通道增強(qiáng)型DMA 控制器EDMA3，其支持復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型的傳輸，有利于圖像數(shù)據(jù)的高效傳輸和格式變換；豐富的外部存儲(chǔ)器接口包括：一個(gè)專用的32位、200 MHz、256 MB 尋 址 空 間 的DDR2 存 儲(chǔ) 器 接 口用于接口高速、大容量的DDR2存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù)，一個(gè)8 位、64 MB 尋址空間的異步存儲(chǔ)器接口用于接口8 位Nor Flash 或Nand Flash 以存儲(chǔ)固化代碼；豐富的片上外設(shè)包括：一個(gè)專用的單通道視頻輸入接口，既可以方便地與各種數(shù)字視頻輸入標(biāo)準(zhǔn)接口，還具有常用的視頻預(yù)處理功能。一個(gè)專用的單通道視頻輸出接口，既可以提供多種模擬視頻輸出標(biāo)準(zhǔn)，還可以提供各種數(shù)字視頻輸出標(biāo)準(zhǔn)接口，并且在視頻輸出之前，還支持多個(gè)視頻窗口管理及在視頻畫面上疊加文本數(shù)據(jù)。一個(gè)多通道音頻串口，可無縫接口音頻Codec器件，實(shí)現(xiàn)模擬視頻信號(hào)的輸入/輸出。一個(gè)I2C總線，可無縫接口視頻解碼器/編碼器和音頻Codec的控制口，方便實(shí)現(xiàn)音/視頻編解碼器的控制。10/100M 以太網(wǎng)MAC，方便實(shí)現(xiàn)嵌入式視頻網(wǎng)絡(luò)化要求。由上可知，DM6437是非常適合于作為視頻處理系統(tǒng)的高性能主處理器。成像畸變校正裝置的硬件結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 用于變電站視頻廣角鏡頭成像畸變校正裝置的硬件結(jié)構(gòu)示意圖

裝置主要由攝像機(jī)＋廣角鏡頭＋微處理器模塊組成，采用該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)在變電站監(jiān)視區(qū)域內(nèi)利用最少的攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)變電站全區(qū)域覆蓋的動(dòng)態(tài)目標(biāo)高精度識(shí)別與定位，使基于視覺定位的變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)用化。

2.2 成像畸變校正裝置的軟件算法

畸變校正基于光學(xué)成像的三個(gè)特性：a通過光心的直線成像后仍為直線；b越接近光軸中心的點(diǎn)畸變量越小；c垂直于光軸的物平面上兩條長度相等的直線段，在理想光學(xué)系統(tǒng)（無畸變）條件下成像在像平面上對(duì)應(yīng)的兩條線段長度相同［3］。

畸變校正算法有很多種，考慮到廣角鏡頭帶來的畸變主要是桶形畸變，而本裝置畸變校正要求精度高、計(jì)算簡單、處理速度快等特點(diǎn)，所以裝置軟件算法采用了改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)圖形法［4－5］來校正圖像畸變。采用改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)圖形法需要制作一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模板，計(jì)算鏡頭畸變系數(shù)，標(biāo)定不同的攝像機(jī)和鏡頭。鏡頭畸變系數(shù)的求解采用多項(xiàng)式法［6］可以很方便地計(jì)算出來，校正精度可達(dá)到像素級(jí)。用于畸變校正的計(jì)算公式如下：

其中：xp，yp是校 正 后 的 坐 標(biāo)；xd，yd是 畸 變 坐 標(biāo)；k是畸變系數(shù)；r是坐標(biāo)的向量值，。

畸變校正裝置軟件處理流程見圖3。

3 畸變校正效果

通過理論計(jì)算、計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)室檢測，在水平、垂直、徑向的校正均優(yōu)于傳統(tǒng)的方法，裝置對(duì)廣角鏡頭成像畸變的校正效果顯著。根據(jù)畸變校正公式計(jì)算，在鏡頭高度為3m、覆蓋區(qū)域?yàn)?0 m×40 m 的范圍內(nèi)，按最差情況考慮，圖像未經(jīng)校正時(shí)其徑向畸變和切向畸變分別達(dá)到32.0%和2.8%，在經(jīng)過該裝置處理后經(jīng)向畸變和切向畸變分別降低到3.3%和0.9%，校正計(jì)算速度超過25幀/s，校正精度達(dá)到亞像素級(jí)。經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)室檢測都驗(yàn)證了以上效果，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行取得了預(yù)期的效果。畸變校正效果見圖4。

4 成像畸變校正裝置在變電站作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)管控的應(yīng)用

圖3 廣角鏡頭成像畸變校正裝置軟件處理流程

圖4 畸變校正效果

變電站作業(yè)安全管控系統(tǒng)于2014年10月在延邊汪清220kV 變電站正式投入使用。汪清220kV變電站占地31 010m2，敷設(shè)了19臺(tái)廣角攝像機(jī)和畸變校正裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)變電站無死角的全覆蓋，畸變校正裝置串接在廣角攝像機(jī)和作業(yè)安全管控系統(tǒng)之間，對(duì)畸變圖像實(shí)現(xiàn)快速高精度校正，輸入視頻模擬信號(hào)，輸出以太網(wǎng)數(shù)字碼流，為作業(yè)安全管控系統(tǒng)捕捉動(dòng)態(tài)目標(biāo)并精確定位目標(biāo)所處坐標(biāo)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

通過在延邊汪清220kV 變電站的實(shí)際應(yīng)用證明，該成像畸變校正裝置及校正算法的解決方案實(shí)用高效，解決了廣角攝像機(jī)固有的畸變問題，作業(yè)安全管控系統(tǒng)可以憑借廣角攝像機(jī)的大范圍覆蓋面使系統(tǒng)攝像機(jī)布置數(shù)量大大減少，架設(shè)要求降低，保證了定位精度。系統(tǒng)運(yùn)行以來，發(fā)現(xiàn)巡視不到位、檢修故障超出工作范圍等十余次習(xí)慣性違章，通過系統(tǒng)主動(dòng)提醒、報(bào)警等手段及時(shí)糾正了違章現(xiàn)象，切實(shí)提升了作業(yè)人員安全意識(shí)，強(qiáng)化了安全監(jiān)督手段，確保了變電站設(shè)備及人員安全。

［1］ 谷月雁，司剛，劉清瑞.無線定位技術(shù)在變電站作業(yè)安全管理中的應(yīng)用［J］.電氣技術(shù)，2012，（12）：78－81.

［2］ 肖穎.小畸變廣角鏡頭的研究［D］.長春：長春理工大學(xué)：2013.

［3］ 范勇，張佳成，陳念年，等.圖像幾何畸變校正方法［J］.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45（29）：194－197.

［4］ 朱掙濤，黎紹發(fā).鏡頭畸變及其校正技術(shù)［J］.光學(xué)技術(shù)，2005，31（1）：136－138.

［5］ 姜大志，孫俊蘭.標(biāo)準(zhǔn)圖形法求解相機(jī)鏡頭非線性畸變的研究［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2001，31（4）：111－116.

［6］ 牛建軍，劉上乾.高準(zhǔn)確度光電成像測量系統(tǒng)圖像畸變校正算法［J］.光子學(xué)報(bào)，2006，35（9）1317－1320.