基于單目立體測量技術(shù)的放電銅球間距校準(zhǔn)方法

王春雷 ，嚴(yán)俊，黃正宇，陳天樂，段艷濤，楊波,3

（ 1.海軍駐南京924廠軍事代表室，南京211100；2.電磁環(huán)境效應(yīng)與電光工程國家級重點實驗室，陸軍工程大學(xué)，南京 210007;3.國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，南京 211101）

引言

8/20兼容10/350沖擊電流試驗裝置能夠獨立完成針對各種開關(guān)型、限壓型或組合型SPD的雷電沖擊殘壓試驗、雷電流耐受試驗和動作負載試驗，是開展雷擊損傷效應(yīng)研究及雷擊防護方法研究的重要實驗裝置。但實驗裝置長時間的連續(xù)高負荷工作，會導(dǎo)致放電銅球之間的間距與系統(tǒng)理論值發(fā)生偏差，造成沖擊電流峰值不準(zhǔn)確、提前放電等問題，嚴(yán)重影響系統(tǒng)整體的可靠性及實驗的有效性。圖1為沖擊電流試驗裝置側(cè)視示意圖。

計算機視覺技術(shù)是一門新型的學(xué)科，其在檢測領(lǐng)域的應(yīng)用更是獲得了越來也越多的關(guān)注[1]?；谟嬎銠C視覺技術(shù)的檢測技術(shù)首先通過圖像傳感器獲取數(shù)據(jù)，然后通過圖像視覺檢測算法計算檢測空間物體三維坐標(biāo)進而獲取物體精確幾何尺寸、運動狀態(tài)等信息，具有非接觸性、精度高、實時性強等優(yōu)勢和特點。近幾十年，該技術(shù)在多樣化測量方法、檢測精度和模式應(yīng)用的創(chuàng)新方面都取得了積極進展。逐步研發(fā)出了較多的視覺測量應(yīng)用系統(tǒng)和設(shè)備，成為測量領(lǐng)域主流測量手段之一[2]。

單目立體視覺[3]作為視覺測量技術(shù)的一種基本形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、測量范圍大等諸多優(yōu)點，避免了雙目視覺測量中圖像點立體匹配困難的問題以及每次使用前對兩套成像系統(tǒng)相對位姿的繁瑣標(biāo)定[4-6]，因此更適合于工業(yè)現(xiàn)場測量。

本文首次將單目視覺技術(shù)與銅球定位相結(jié)合，提出了一種新的雷電流試驗裝置銅球間距測量方法。該方法利用一臺工業(yè)攝像機對待測銅球區(qū)域進行拍攝，對拍攝到的圖像進行分析并提取銅球外邊界，最后利用圖像亞像素分割原理，精細分割出銅球的的上下邊沿，計算出邊沿之間的圖像距離，最后通過標(biāo)定數(shù)據(jù)進行三維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)銅球間距的實時測量和最終試驗裝置的系統(tǒng)標(biāo)定。該方法原理簡單、直觀，且定位精度高，能夠很好地解決銅球間距高精度實時標(biāo)定問題?？蔀橄乱徊綔y試系統(tǒng)的自動化設(shè)計和建設(shè)提供基礎(chǔ)。

1 基于單目立體視覺的雷電沖擊電流試驗裝置銅球間距測量

1.1 系統(tǒng)組成及原理簡介

利基于單目立體視覺測量技術(shù)，我們設(shè)計了基于雷電沖擊電流試驗裝置銅球間距實時測量系統(tǒng)，以實現(xiàn)對試驗裝置的實時標(biāo)定，搭建的測試系統(tǒng)如圖2所示。

該測試系統(tǒng)包括一臺焦距25 mm的大恒水星CCD高分辨率攝像機、支撐架、通信數(shù)據(jù)線及處理機。攝像機與銅球間隙大致具有相同水平高度，距離約3 m。在使用之前，需要對攝像機檢測系統(tǒng)進行標(biāo)定，計算攝像機的內(nèi)外參數(shù)，方便后面的在線測量。單目攝像機標(biāo)定是該測試系統(tǒng)使用過程中的重要步驟，對系統(tǒng)的整體測量精度有較大的影響。下面我們著重進行介紹。

1.2 基于HALCON的單目標(biāo)定與測量

單目視覺測量是以小孔成像原理和透視投影原理等為理論基礎(chǔ),僅使用一臺攝像機來完成對物體的幾何尺寸、位置、姿態(tài)等進行測量的技術(shù)[3]。檢測系統(tǒng)的硬件配置比較簡單，一臺攝像機，一個單通道圖像采集卡和一臺計算機。此外，標(biāo)定過程也比較簡單。程序搭建平臺為機器視覺軟件HALCON[7]，該軟件平臺具有較快的形狀匹配速度，有較全面的算子工具集合，且標(biāo)定手段比較簡單。

圖1 沖擊電流試驗裝置側(cè)視示意圖

圖2 基于單目的沖擊電流試驗裝置標(biāo)定系統(tǒng)

HALCON 是德國 MVTec Software GmbH 公司開發(fā)的一套完善的機器視覺算法包，內(nèi)含眾多的圖像處理算子和交互式的開發(fā)工具。開發(fā)算子具有較單一的功能，從簡單的讀取圖像到復(fù)雜的 Kalman 濾波等，但正是這些單一功能的算子，像一個一個積木一樣，最終能堆積成功能強大的的應(yīng)用設(shè)計。該軟件提供的集成開發(fā)環(huán)境HDevelop 為編程者提供了一個可視化的圖像界面，可以使用戶在程序調(diào)試中，通過參數(shù)窗口監(jiān)測到數(shù)據(jù)變量和圖像變量的變化，進而高效的進行程序開發(fā)。

在單目視覺技術(shù)測量方面，HALCON提供了比較全面的標(biāo)定助手工具和測試示例，可快速地進行在線視覺系統(tǒng)開發(fā)與集成。因此，本文選取它作為視覺測量系統(tǒng)開發(fā)的軟件平臺。

一般情來說，在進行立體視覺測量之前首先需要進行相機的標(biāo)定[8-10]，得到攝像機的內(nèi)參數(shù)（攝像機固有參數(shù)）和外參數(shù)（相對位姿），然后在運用相機的標(biāo)定參數(shù)進行在線的測量。而后期的在線測量，實際是將測量所得的圖像坐標(biāo)系數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到實際三維空間數(shù)據(jù)的過程。而此時的相機的標(biāo)定對最終的測試結(jié)果的精度的影響時十分關(guān)鍵的。

相機的標(biāo)定可以借助標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定物和標(biāo)定算法來開發(fā)實現(xiàn)。本文采用標(biāo)準(zhǔn)的100 mm - 49 黑色圓點HALCON標(biāo)定板，如圖 4所示。首先，讀取圖像并對圖像進行平滑，然后，利用閾值分割算法提取標(biāo)定區(qū)域，再提取各圓形標(biāo)記點的邊緣，計算出各標(biāo)記點的中心坐標(biāo)，確定標(biāo)定點與圖像投影間的對應(yīng)關(guān)系，最終得到相機的內(nèi)外參數(shù)。

通過標(biāo)定后的單目相機，相對位置不變的情況下，能實現(xiàn)標(biāo)定板范圍內(nèi)的在線測量。由于本系統(tǒng)需要測量的銅球之間的間距范圍不大，間距變化范圍一般為0-50 mm，在圖像視場范圍內(nèi)變化較小，因此，單目測量技術(shù)是能滿足要求的，精度也是有保障的。最終，通過單目的測量，銅球間距能夠?qū)崟r地傳輸?shù)教幚頇C終端上，方便遠距離在線標(biāo)定與調(diào)試。

1.3 銅球間距測量與標(biāo)定過程

下面介紹基于單目單目視覺的銅球距離整體測量流程。

首先，靜態(tài)預(yù)先標(biāo)定。將攝像機固定在距離銅球大約3 m的支撐架上，利用標(biāo)定板進行像機標(biāo)定，將標(biāo)定板放置在銅球附近并微調(diào)不同姿態(tài)，同時對焦使得標(biāo)定板圖像最清晰，以提高邊沿輪廓提取的精度。利用HALCON中的標(biāo)定助手（如圖5所示）先后采集共15張圖片進行標(biāo)定。

圖3 HALCON開發(fā)界面

圖4 基于HALCON的單目視覺標(biāo)定板

其次，實時在線測量。在開展帶負載實驗過程中，對銅球間距進行在線測量與實時校正。本文選用CFRP的雷擊致?lián)p實驗進行在線測量。實驗時，先對銅球區(qū)域進行連續(xù)拍攝，每拍攝一幀進行一次在線測量。最后，將測量結(jié)果實時傳輸?shù)教幚頇C進行顯示，方便操作人員及時查看和校準(zhǔn)。銅球測量的關(guān)鍵一步為如何準(zhǔn)確提取上下銅球的邊沿，即如圖6所示的測量線的提取。由于測量過程中攝像機位置和銅球位置不發(fā)生明顯的變化，因此，在測量時先要劃定如圖6所示的長條形的測量區(qū)域。然后在這個區(qū)域進行雙線性插值，之后再計算出灰度值輪廓。再通過計算灰度值輪廓一階導(dǎo)數(shù)的局部極值得到一維邊界，然后對邊緣進行自動配對。最后將配對的兩點的距離進行基于標(biāo)定參數(shù)的實際三維空間坐標(biāo)的變換，得到真實的測量距離。

圖5 HALCON標(biāo)定助手界面

圖6 銅球間距測量示意圖

圖7為某一次測量結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)，測量界面同時給出了兩根綠色的短線，這各自代表了銅球的兩個邊沿，并且測量數(shù)據(jù)也在短線旁邊實時顯示。

最后，結(jié)果顯示和誤差分析。為了驗證本文基于單目視覺的沖擊電流裝置標(biāo)定系統(tǒng)的精度及有效性，我們在銅球之間放置了20 mm的標(biāo)準(zhǔn)物件，然后控制好銅球間距，將多次測量結(jié)果與之對比。測量結(jié)果如表1所示。

通過5次的測量和對比發(fā)現(xiàn)，每次測量的結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差均控制在1 mm內(nèi)，最終的平均誤差僅為-0.033。這一精度滿足測試系統(tǒng)的整體測試要求。

圖7 測量界面和結(jié)果（37.341 mm）

表1 測量誤差分析 單位：mm

2 結(jié)論

本文研究了一種基于單目視覺技術(shù)的雷電沖擊電流放電裝置銅球間距測試方法，并搭建了整個測試系統(tǒng)。通過將基于HALCON的單目視覺測量技術(shù)與沖擊電流放電裝置間距標(biāo)定需求相結(jié)合，開發(fā)并實現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確地間距在線測量和傳輸。此外，整個測試系統(tǒng)搭建簡單、操作簡易，非常適合于下一步的試驗裝置系統(tǒng)的自動化集成。這也為電磁兼容領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)測試自動化提供了新的借鑒和參考。

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