红外摄像（精选4篇）
红外摄像 篇1
0 引言
红外热成像技术能快速、实时地采用非接触手段在线监测和诊断出带电运行电力设备的大多数过热故障,防止电力设备损坏和由于这些设备损坏而导致的电网大面积停电事故,在电力系统内已经得到越来越广泛的应用。
目前,陕西省电力公司系统内各单位均开展红外测温工作,但尚无统一的红外图像采集标准和图库建设标准,没有1套完整的红外数据库管理系统[1,2,3,4,5,6]。
信息系统在电力系统的广泛应用和红外采集技术的发展为建设基于计算机信息系统的红外图库创造了有利条件。建立以PMS系统为平台的智能化红外图库对于提升电网安全运行水平,加强电网设备管理有非常重要的意义。
1 红外检测现状
1.1 红外检测方式
目前陕西省电力公司系统内各单位采用红外热像仪进行巡视后,针对有疑问设备或重点设备选择性拍照,存在以下问题:
(1)对大多数测量点,只巡视不拍摄,实际保存的红外图片数据量太少,无法保障每个设备都有红外状态的记录;大型设备的红外图片少,难以获得全面数据。
(2)对于一些电压致热设备的判断,需要三相对比或与同类设备对比分析,选择性拍照必须先判断出是否有疑问才进行拍摄,专业要求太高。
(3)巡视工作难以量化,工作中拍摄少,巡视时间占工作时间的90%。
1.2 红外数据的管理方式
国家电网公司下达的电力设备红外导则,要求每年对电力设备进行全面的红外精确测量,获得各设备的运行温度数据并建立数据库档案。
但是目前国内各供电公司建立完善的红外热像数据库存在诸多困难,首先每年进行的红外精确检测的检测时间紧任务重,获得的红外数据数据量巨大,数据的归档整理也很困难,只能按照时间或地域分文件夹保存管理,不能实现快速人性化的查询和调用。
2 红外摄像技术的优势
2.1 拍摄方式
(1)摄像数据量是热像仪拍照的数百倍,数据保存全面,有助于档案管理和设备分析,生动全面的影像也更有助于分析。
(2)巡视中全程记录设备的红外状态数据,工作效率比红外热像仪高3倍以上。
(3)红外摄像获取的生动红外影像对目标的描述更为全面、直观和严谨。
2.2 红外数据分析管理
(1)红外摄像仪为一键式摄录,数据文件按间隔保存。
(2)利用变电站基础数据库资料对红外数据进行命名处理,格式统一规范,无需手工输入,鼠标点击选择即可完成全部数据的命名处理。
(3)利用数据库对红外数据进行管理,实现按照关键字查询功能,方便对历史数据的调用;实现同一设备历史数据和同一间隔设备的三相对比分析。
2.3 智能化的动态红外数据流分析系统
红外影像数据流的计算机辅助人工的分析过程,对海量数据的分析处理极为便捷。
2.3.1 电流致热型隐患
对数据流影像的每一帧进行温度数据提取,并生成特征量随时间变化的特征曲线,根据判据立即实现对电流致热隐患的发现。
2.3.2 电压致热型隐患
由于变电站设备众多,红外拍摄的背景异常复杂,大多数时间要求晚上拍摄,而电压型缺陷的设备温度差异又非常小,是目前红外检测工作的重点和难点。
在对每一个电压型设备进行命名后,使用查询检索功能,对全站所有的电压型设备进行统一色标的横向对比,可以大大提高分析人员对电压型设备隐患的发现率,比原有人工逐张分析的方法工作效率提高10倍以上。
2.3.3 综合致热型隐患
由于综合制热型缺陷的发热原因比较复杂,热缺陷的特征不具有规律性,现场判断比较困难,容易造成误判断,因此采用Research-N1在线式红外温度趋势分析系统加强监视和跟踪就显得很有必要,如图1所示。
在某110 kV变电站,工作人员发现1号主变压器35 kV出线AC相存在温度异常,其中A相更为严重;为了解动态在线分析系统的性能,要求现场对该出线ABC相进行连续时间的监测。A相温度随负荷的变化而变化较大,属于电流致热型设备缺陷;B相温度随负荷的变化而缓慢变化,未见明显温度差异;C相温度一直偏高,且不随负荷的变化而变化,疑似温度由内部传出,属于综合致热型设备缺陷,该缺陷比A相难处理。
如果该案例采用常规热像仪拍照,得到的结果见图2。
通过现场对比可得出:采用全数字动态在线分析系统采集设备的时间段温度数据,形成时间温度趋势曲线,能够全面了解热异常设备的温度变化规律,对于设备缺陷类型的判定提供更加充足、科学的数据依据;如果采用常规红外检测仪器,采集某时间点单帧的红外热图,无法为检修工作提供有力的参考依据,则会对某些设备的缺陷造成误判。
3 智能化红外图谱数据库的功能
3.1 建立红外图谱数据库的条件
目前,电力系统PMS系统的设备台账模块对红外图库开放接口,可将设备基础资料直接导入到红外图库中,减少红外报告分析命名的重复工作;红外采集技术也从静态单张拍照向动态连续摄像过渡,一方面摄像方式对电气设备采集数据更加完备,另一方面,隐患设备详实的动态连续红外温度数据流为客观严谨的科学研究提供了重要依据。因此,建立以PMS系统为平台的智能化红外图库对于提升电网安全运行水平,加强电网设备管理有重要的意义。
3.2 红外图谱数据库实现的主要功能
输变电设备红外数据库系统包含3个功能界面:媒体播放模块、设备管理模块和设备查询模块。系统可以快速调用、分析红外温度数据,对红外数据分析报告可快速上传,并且与设备PMS系统台账模块数据一一对应。
该系统的构思见图3。通过这套系统可将红外分析报告直接上传PMS系统,与PMS系统设备台账模块数据相关联。实现在PMS系统直接调出设备红外数据分析报告,查看设备缺陷情况,并且可将有缺陷的设备分析报告以附件的形式直接上传到设备缺陷模块,实现与输变电设备监测系统关联。
4 主要建设方案
4.1 红外图的采集、命名和分析
4.1.1 输变电设备红外热图的采集
红外图库建设是以电网输变电设备为采集对象。对于变电站内各电压等级设备,以设备为单位进行温度数据采集,涉及设备有变压器、断路器、隔离开关、四小器、组合电器、电抗器、电容器组、电缆终端、母线、绝缘子、导线及线夹等变电一、二次设备;对于输电线路红外数据以杆塔为单位进行温度数据采集,涉及线路耐张塔有大号侧、小号侧,电缆终端有电缆终端上部出线接头、电缆终端本体、电缆尾管、电缆分支套等。
根据设备的发热特征类型和数据分析的需求将检测方式分为以下4类:
(1)电流致热型设备检测方式:使用红外热成像仪器对电流致热型设备三相进行多帧频红外拍摄并保存红外图像数据流。
(2)电压致热型设备检测方式:使用红外热成像仪器按照变电间隔对电压致热型设备单相进行多帧频红外拍摄并保存红外图像数据流。
(3)缺陷设备拍摄方式:对判断出有缺陷的设备,采集设备360°全景红外温度数据流影像细节。
对危急缺陷设备还须进行8 h以上定点连续监测,获取定点连续监测的时间温度趋势分析数据影像资料,提供设备的时间温度趋势分析数据报告。
4.1.2 实现输变电设备红外热图的集中管理
(1)输变电设备台账基础数据建立完备:建立输变电红外图库管理系统与PMS的接口,共享设备台帐数据,两系统的数据实时同步或定期同步。依靠PMS中完备的台帐数据,实现变电设备、输电线路设备名称唯一,使得设备红外图片和报告的命名规范统一,为实现输变电红外热图集中管理创造条件,避免红外系统中设备台帐的重复录入。
(2)实现输变电红外热图集中管理:红外图库按电压等级建立或以地区管理单位建立设备台账基础资料,可根据国家电网红外导则中设备缺陷程度对拍摄的数据进行分类(一般分为缺陷设备、严重:缺陷设备、危急缺陷设备、关注设备、正常设备),实现对于设备红外热图的集中管理。可查询设备所属的电压等级、设备名称或缺陷类型,对设备的红外管理更为便捷高效。
4.1.3 实现输变电红外图的分析和查询
将拍摄下来的红外数据通过计算机进行高速分析,形成温度的峰值曲线积分,对于数万帧的红外数据,只需要几分钟的时间即可完成红外数据的分析,并根据分析完毕的特征,两温度趋势曲线自动调出异常的设备,自动生成规范的红外报告。报告包括的信息有拍摄距离、环境温度、相对湿度、风速、电压、电流、分析者、关注区域温度分析。对于疑似隐患设备周期性连续监测的数据可调用分析,并形成随时间变化的温度趋势曲线,对隐患设备进行定性分析。在红外图库系统可直接以下拉菜单方式选择设备名称或者缺陷类型进行设备搜索、查找。
4.2 数据库的建立与管理
4.2.1 数据库建立
(1)基础资料录入(变电站、线路):PMS系统设备台账模块直接对红外图库开放接口,将设备基础资料导入到红外图库系统,输变电设备基础资料建立完备,减少后期设备的分析命名重复性工作。
(2)数据分析:在红外数据库管理系统内可实现对红外基础数据快速分析、查看;对红外基础温度数据进行批量分析,采集每一帧红外数据最高温度,形成随温度变化的趋势曲线,通过趋势曲线,可快速查看隐患设备红外图片并可进行分析。
(3)命名便捷:直接以下拉菜单的方式进行设备的命名,便捷高效。
(4)报告自动生成:在设备的分析完成后,将数据直接上传到数据库便可快速生成相应的报告。
(5)隐患设备精确分析:对于隐患设备多角度摄像,以反映缺陷设备全貌,还可对疑似隐患发热设备周期性连续监测,并形成随时间变化的温度趋势曲线,对隐患设备进行定性分析。
4.2.2 数据库管理
(1)快速搜索、查找设备:直接以下拉菜单方式选择设备名称或者缺陷类型进行设备搜索、查找。
(2)缺陷类别管理:对于设备的缺陷可进行分类管理,对一般缺陷、严重缺陷、危急缺陷设备分类查看,可掌握设备消缺情况、执行情况、消缺方式、消缺时间。
(3)设备横纵向数据对比:对发热设备缺陷进行纵横向分析,可选择相同型号同类型设备、相同负荷、相同运行环境的ABC三相分析对比,纵向分析设备在不同的时间段的运行情况。
4.3 建立网络化的热图管理平台
为电力系统负责红外测温的部门和上级与下级单位相关部门之间的检修工作提供支持,是构建图库管理面向网络化制造的资源共享服务平台的根本目的。资源共享服务平台支持下的红外测温部门存在2类站点,即提供超文本传输协议(Hyper Text Transport Protocol,HTTP)及相关服务的红外图库管理系统服务器(资源共享服务平台)和开展检修部门、生技管理等部门的发起要求方。检修部门或生技管理部门等作为客户端发起调用设备红外分析报告请求,红外测温部门资源共享服务平台的红外图库管理系统服务器提供了检修工作中需要的分析报告数据和红外原始数据,可供相关部门在需要时调用下载。同时,检修部门和生技管理等部门还可同时对红外测温部门资源共享服务平台的红外图库管理系统服务器调用、查看、下载红外分析报告。一方面,生技管理部门可实时查看调用设备检修情况,追踪设备的复测情况;另一方面,检修部门可根据缺陷报告合理安排检修工作。
4.4 与相关系统的关联
通过与PMS和输变电监测系统进行有效的衔接,在PMS系统的设备台账模块,可将设备台账基础资料导入红外图库中;在PMS系统还可以在电脑上快速地调出隐患设备的报告,并以附件的形式直接发送到检修部门;在输变电设备监测系统中,管理人员可以快速查看并调出缺陷设备红外原始数据,并可直接进行分析,实现对输变电设备红外热图的集中管理。
5 结论
建立电力设备红外数据图库是电力系统发展的需要。输变电设备红外数据库系统的建立,对电力系统电气设备优化管理起着非常重要的作用,无论是从数据分析上还是从红外数据的管理上都能够实现电力系统对设备管理的要求,提升电网的安全运行水平。随着电力系统对状态检修管理自动化的发展,克服目前人工只对部分数据存档,无法对所有输变电设备进行存档管理的困难。建立输变电红外数据库系统,可实现所有输变电设备红外数据的存档、分析、管理,并可对缺陷的设备进行分类管理,对状态检修提供了可靠、详实的信息支持。输变电红外数据分析系统对状态检修管理自动化的发展创造了有利的条件。
参考文献
[1]DLT664/2008,带电设备红外诊断技术应用导则[S].
[2]GB/T19870—2005,工业检测型红外热像仪[S].
[3]黄明亮,宋义,王刚峰.变电设备红外诊断技术在咸阳供电局的应用[J].陕西电力,2009,37(9):48-51.
[4]吕亮,章岩,罗建勇,等.高压电气设备典型热故障模拟及应用研究[J].陕西电力,2010,38(8):41-45.
[5]汤世洪,刘成安,陈泉根.基于FPGA的高分辨率红外触摸屏的设计[J].电子设计工程,2011,19(22):163-166.
[6]韦伟,周凌翱,刘青.一种便携式的红外测距系统[J].电子设计工程,2011,19(21):40-42.
红外摄像 篇2
红外摄像机因为其特殊性，在安装及选配过程中是相当严格的。如果操作不当，红外摄像机除了常有的泛白，刺眼之外，另外还有很多雪花点，晚上的时候，如天下下雪一般；刚开始时，我们觉得不可思议，专程到专营红外的电子安防市场拿了几个品牌试了一下，果不然，白天效果还凑和，一到晚上，雪花飘飘；于是，我们做各种实验，试过换过红外灯和电路板，也试过换到CCD，也到过不同的地方实验，后来，总结情况雪花点多产生有如下原因
第一、红外摄像机电流不足原因导致雪花点产生.一些室外短距离用集中供电12V很方便，但如果是长距离则不宜采用开关电原来进行集中12V供电；因为一是长距离红外灯发热量大，12V供电的不稳定可能导致功率不够；而且全部没有内置散热装置在电流不稳定的情况下容易出现烧坏；二是电流衰减速度快,可能导致红外灯没能正常工作，在CCD照度比较高而得到不到红外灯辅光，于是，雪花飘飘；
第二、红外摄像机红外灯质量差，红外灯的角度及红外距离跟镜头不匹配导致雪花飘
很多公司为了方便自己的采购及安装，用多种角度不同的灯混合在一起使用，这样使用的好处是他们同一种灯可以勉强使用不同的毫米大小的镜头，坏处是总是让人感觉灯的角度与距离与镜头不合适，当角度不合适的时候，容易出现手电筒现象或者窄电现象；当距离不匹配时，比如你用12MM的镜头，却用十到二十米的灯，那么你就会出现灰蒙蒙的现象；远处一片摸糊，近处雪花飘飘；还有，劣质的红外灯，除了装饰外，灯越多，问题越多，灯越集中，发热量过大，越容易烧坏；
第三、手工艺问题：
很多人手工的时候，红外灯不集中，散光了；分散的光线导致到处有光，但一片灰蒙蒙胧的现象；红外灯前端的棉花档光不严密，集中红外红散灯因此一片苍茫现象；
第四、内置的是低劣红外摄像机，照度极高,很多工厂为了在同样的红外灯辅光前提下获得更亮的图像,人为的调高CCD的灵敏度；因为很多生产商为了价格竞争，使用非常低劣的摄像机内置里面，这种摄像机在红外灯补光不足的情况下,为提到更亮,于是人为调高CCD的增益灵敏度,跟我们在硬盘录像机上调高亮度一样，是极易出现雪花现象的；
第五、电路设计不合理；我们生产红外摄像机，不仅仅是将红外灯直接装到监控摄像机里面然后就行的，而是要在装上之前，对其摄像机电路重新设计并老化处理。而市面上很多小型加工厂就是使用廉价的电子元件，买廉价的红外灯，直接用电烙铁焊接上去对于电路没有重新设计也没有老化处理；另外一些做低端产品的工厂，为了省钱，把控制电路板的控制板去掉或者跟灯板集成在一起，这很容易导到红外灯受电流不稳定而发热，使本来就劣质的红外灯更不能正常工作；
红外摄像机因为其特殊性，在安装及选配过程中是相当严格的。如果操作不当，红外摄像机除了常有的泛白，刺眼之外，另外还有很多雪花点，晚上的时候，如天下下雪一般；刚开始时，我们觉得不可思议，专程到专营红外的电子安防市场拿了几个品牌试了一下，果不然，白天效果还凑和，一到晚上，雪花飘飘；于是，我们做各种实验，试过换过红外灯和电路板，也试过换到CCD，也到过不同的地方实验，后来，总结情况雪花点多产生有如下原因
第一、红外摄像机电流不足原因导致雪花点产生.一些室外短距离用集中供电12V很方便，但如果是长距离则不宜采用开关电原来进行集中12V供电；因为一是长距离红外灯发热量大，12V供电的不稳定可能导致功率不够；而且全部没有内置散热装置在电流不稳定的情况下容易出现烧坏；二是电流衰减速度快,可能导致红外灯没能正常工作，在CCD照度比较高而得到不到红外灯辅光，于是，雪花飘飘；
第二、红外摄像机红外灯质量差，红外灯的角度及红外距离跟镜头不匹配导致雪花飘
很多公司为了方便自己的采购及安装，用多种角度不同的灯混合在一起使用，这样使用的好处是他们同一种灯可以勉强使用不同的毫米大小的镜头，坏处是总是让人感觉灯的角度与距离与镜头不合适，当角度不合适的时候，容易出现手电筒现象或者窄电现象；当距离不匹配时，比如你用12MM的镜头，却用十到二十米的灯，那么你就会出现灰蒙蒙的现象；远处一片摸糊，近处雪花飘飘；还有，劣质的红外灯，除了装饰外，灯越多，问题越多，灯越集中，发热量过大，越容易烧坏；
第三、手工艺问题：
很多人手工的时候，红外灯不集中，散光了；分散的光线导致到处有光，但一片灰蒙蒙胧的现象；红外灯前端的棉花档光不严密，集中红外红散灯因此一片苍茫现象；
第四、内置的是低劣红外摄像机，照度极高,很多工厂为了在同样的红外灯辅光前提下获得更亮的图像,人为的调高CCD的灵敏度；因为很多生产商为了价格竞争，使用非常低劣的摄像机内置里面，这种摄像机在红外灯补光不足的情况下,为提到更亮,于是人为调高CCD的增益灵敏度,跟我们在硬盘录像机上调高亮度一样，是极易出现雪花现象的；
第五、电路设计不合理；我们生产红外摄像机，不仅仅是将红外灯直接装到监控摄像机里面然后就行的，而是要在装上之前，对其摄像机电路重新设计并老化处理。而市面上很多小型加工厂就是使用廉价的电子元件，买廉价的红外灯，直接用电烙铁焊接上去对于电路没有重新设计也没有老化处理；另外一些做低端产品的工厂，为了省钱，把控制电路板的控制板去掉或者跟灯板集成在一起，这很容易导到红外灯受电流不稳定而发热，使本来就劣质的红外灯更不能正常工作；
第六、另外一个可能是，在室外比较多灰尘的情况下，特别是在野外，就有可能是监控摄像机里的红外灯把肉眼看不到的细小的颗粒拍下来了，这在白天红外灯不开启的情况下，内眼及摄像机感觉不明显的；这种是环境所然;综上所述，所生雪花点多的原因比较多，但办法总比困难多，只要发现了真实的原因所在，解决起来就简单多了，只要你愿意花成本，花时间： 第一、使用高稳定的变压器，解决电流不足问题；用万用表测试电压与电流大小，确保红外灯正常工作；
第二、使用高质量的红外灯；这同样重要，红外灯不好，再好的电流也没有用； 第三、换掉里面低劣摄像机。可能其摄像机的照度极高，而在室外光亮度不高的情况，极易出现雪花；用黑白摄像机或者用彩转黑白彩色摄像机；
高精度近红外摄像机标定研究 篇3
定位技术是影响手术导航系统安全性和精确性的关键技术, 而由于光学定位技术定位精度高, 使用灵活, 所以它也是目前手术导航系统中的主流方法[1]。目前手术导航系统中的光学定位设备都是由2个定焦摄像机固定在一个支架上, 如目前国际领先、应用最为广泛的NDI公司的Polaris Spectra系统。但是系统在跟踪定位时往往会受到环境光的影响, 为了避免这种影响, 在光学定位系统中一般采用近红外摄像机感受手术器械上发光点发出的某个特定波长的光线。另外, 为了获取空间点到摄像机图像像素点的对应关系, 必须对摄像机进行标定, 以获取这些摄像机的内外部参数。目前在摄像机标定中通常用已知形状和尺寸大小的标定模板来进行标定, 如棋盘格、十字架、原点等[2]。但由于近红外摄像机不能够获取普通光学系统标定板的纹理, 无法用普通摄像机的标定板标定近红外摄像机。因此, 要对近红外摄像机设计特定的标定板。
本研究针对近红外摄像机的标定问题, 提出一种高精度的近红外标定板设计方法, 并实现其标定算法。此外, 本研究证明所设计的近红外标定板的测量精度达到0.04 mm。
2 近红外摄像机定位系统设计
2.1 近红外摄像机硬件设计
本系统采用2个普通光学摄像机和具有一定波长的滤光片来模拟近红外摄像机, 摄像机是光谱范围能够覆盖近红外波段的CCD摄像机。如图1所示, 在CCD与镜头之间加上近红外滤光片。本研究选用波长为940 nm的滤光片。
2.2 近红外摄像机标定板设计
由于近红外摄像机只能感受到近红外光线, 而不能获取普通光学系统标定板的纹理, 故必须设计一个适用于近红外摄像机标定的标定板。
本研究设计的是一种基于贴片近红外发光管的标定板。首先, 把贴片近红外发光管排列为8×8阵列, 并采用并联连接方式组成规则且一致性良好的标定板。采用的贴片近红外发光管的大小为1.6 mm×0.8 mm×0.3 mm (长×宽×高) , 发光点大小为0.3 mm×0.3 mm, 其发射光波波长为940 nm。该标定板上电后, 通过调节可调电阻R, 调节近红外发光管的发光亮度, 使得其在拍摄视场内所拍摄图像上的光斑呈高斯分布。
在上电时, 这些发光管发出红外光, 被没有加滤光片的摄像机拍摄到的图像如图2 (a) 所示。由于受到环境光的影响, 不可能自动提取这些点的精确亚像素位置。在CCD前面加上滤光片后, 拍摄到的图像如图2 (b) 所示。由图2 (a) 与 (b) 的对比可见, 图2 (b) 中的发光管的亮度更为清晰。除此之外, 每个发光点的亮度也更集中, 噪声也很小。
图2 (c) 是把图2 (b) 的灰度当作高度显示的三维效果。它也验证了通过近红外摄像机拍摄能够得到具有小噪声、高清晰度且光斑亮度满足高斯分布的发光点的图像。另外, 通过求灰度权重的方法就可以自动获取图像中光点的精确亚像素坐标[3]。总之, 近红外标定板的优势有:第一, 与普通标定板相比, 近红外标定板上的贴片近红外发光管发出的红外光能够被近红外摄像机感应到;第二, 能够调节标定板上发光点的亮度来满足摄像机标定的要求;第三, 对于针孔模型, 64个发光点足够用于求解近红外摄像机的内外部参数。
3 近红外摄像机标定板几何信息获取
传统的标定方法要求要先得到标定板精确的几何信息[4], 才能精确地求解出摄像机的内外部参数。但是由于近红外摄像机标定板制作工艺简单, 不可能在制作时严格控制每个发光点的精确位置, 故需在制作后通过双目视觉测量系统获取红外发光点的精确位置。
本研究采用的是由2个普通摄像机 (MV-130UM) 组成的双目视觉测量系统。为了精确测定近红外标定板中各点的三维坐标, 得到精确的近红外标定模板, 必须先采用液晶屏生成的棋盘格标定板对其进行精确标定[5]。然后, 在暗室条件下对近红外标定板拍摄多组不同位置的图像, 这样做能抑制环境光的干扰并利于对图像中光斑的亚像素坐标进行提取。
采集到的图像如图3 (a) 所示, 对图像中的亚像素坐标提取结果如图3 (b) 。然后, 对在有效视场内不同位置拍摄的多幅图像进行三维坐标重建[6], 结果如图3 (c) 所示。
在图3 (c) 中, 有多个不同位置的标定板坐标。通过旋转和平移的方式, 将不同位置上的标定板坐标变换到统一的位置上。步骤如下:
首先, 选择一个位置上的64个标定点作为初始模板。另一个位置上标定点Pj要变换到与Pi重合就必须计算它们之间的旋转矩阵Pji (3×3正交旋转矩阵) 和平移向量Tji (3×1平移向量) , 其中Pi和Pj都是64×3的矩阵。可得到一3×3的协方差矩阵H如下:
其中, mi和mj分别是Pi和Pj中所有点的均值。对H进行奇异值分解 (SVD) 可以得到一个3×3的归一化矩阵U, 一个3×
3 的对角阵蒡和一个3×3 的矩阵V, 则:
因此, 所有位置上的标定板坐标都可以变换到统一的位置, 再求每个坐标点的均值得到新的模板。反复迭代求解后就可以得到模板上每个点的三维坐标, 再把此模板变换到XOY平面上就得到了标定板上每个点的精确三维坐标, 如图3 (d) 所示。由于这种标定板不可能非常平坦, 所以这些三维坐标点也不可能都在XOY平面上, 而是分布在XOY平面两侧, 但这不影响此标定板的应用。实验表明其测量误差小于0.04 mm。
4 基于贴片近红外发光管标定板的标定方法
在设计精确的标定板后需要通过一定的标定方法利用该模板计算出摄像机的内外部参数。其中, 摄像机标定过程中有2个关键点:一是摄像机拍摄图像上特征点的检测, 也称为角点检测[7,8];二是标定算法的应用。在本研究中, 采用人机交互法[3]进行角点检测, 以达到提取角点的亚像素坐标值的目的。所谓的人机交互法就是通过鼠标点击角点的方式提取角点的亚像素坐标值。在标定过程中, 以起始点为第一点, 顺时针方向点击图像中4个角点。每次点击角点时, 以鼠标点击的位置为中心, 提取到4个角点的亚像素值。然后依据每个发光点所在的位置区域, 进一步提取每个发光点的亚像素坐标值, 效果如图4 (a) 和 (b) 所示。
摄像机的几何模型决定标定模板的空间点与其在图像中相应点的关系。本研究将采用的摄像机假设成经典的针孔模型。在不考虑镜头畸变的情况下, 二维图像平面上有一点p=[u, v]T与对应在世界坐标系下物体表面的三维点p=[X, Y, Z]T存在如下关系:
式 (4) 中, H是透视变换矩阵, R和T分别是世界坐标系到摄像机坐标系的旋转矩阵和平移向量, 即摄像机的外部参数;A是摄像机的内部参数矩阵, 矩阵形式如下:
式 (5) 中, fx、fy是摄像机的焦距, (u, v) 是摄像机的主点坐标, s是摄像机的倾斜因子。
本研究的标定方法就是依据拍摄到的一系列近红外图像求解出所述摄像机的内外部参数, 即求解等参数。该标定方法先用直接线性变换法[9] (DLT) 实现对摄像机参数的线性估计。DLT方法求解摄像机的内外部参数是五迭代求解过程, 其计算速度快, 但它没有考虑镜头的径向和切向失真, 且在求解H过程中并没有考虑各个参数的特性对H的约束。为了使标定结果更加精确, 必须考虑摄像机镜头的畸变。假设空间一点在摄像机坐标系下的归一化坐标为pn=[un, vn]T, 考虑镜头畸变后的归一化图像坐标为pd=[ud, vd]T。考虑到镜头的径向失真和切向失真后, pn和pd的对应关系可以表示如下:
式 (6) 中, 参数k1、k2等参数为径向失真系数, p1、p2等参数为切向失真系数, 这些参数在摄像机标定时获取。在实际应用中r的高次项对镜头失真的补偿很小, 可以忽略不计。在本文中, 畸变系数可以表示为:
k是一个包含了径向失真系数与切向失真系数的5×1的向量。
镜头畸变后的归一化图像坐标点pd与二维图像平面上的点p间有一个线性关系:
因此, 可从式 (4) ~ (8) 求得近红外标定板上发光点的三维坐标与图像上对应点的二维坐标的关系。
在用DLT方法实现对摄像机参数的线性估计后, 可求解得摄像机的内部参数矩阵A以及外部参数R和T。然后以这些参数为初始值, 采用非线性方法进一步优化, 从而得到精确的标定结果, 以提高跟踪定位精度。
在考虑镜头畸变时, 需要引入畸变系数k对摄像机进行重新标定。对于点对 (pj, p′j) , 其中, pj=[Xj, Yj, Zj]T, p′j=[uj, vj]T由式 (4) ~ (8) 可求得pj=[Xj, Yj, Zj]T投影到图像上的点p的图像坐标为 (u′j, v′j) 。在标定摄像机过程中可以最小化由投影模型计算得到的图像坐标 (u′j, v′j) 与标定点p′j=[uj, vj]T之间的误差来优化标定结果, 优化目标函数可以表示成均方误差的形式:
在求解pj=[Xj, Yj, Zj]T投影到图像上点p的过程中, 可将图像点p看作是参数A、R、T和K的函数, 通过求解p的参数可以确定焦距、倾斜因子、主点、畸变系数等相关参数。通过使目标函数值最小, 可求解这些相关参数。这是一个非线性最小化的问题, 可采用Levenberg-Marquardt (LM) 算法迭代求得最优参数值[10]。但这个过程需要为参数选择初始值, 而任意的选择将使优化过程陷入局部最小, 所以在标定实现中首先采用DLT方法获取参数初始值, 再利用LM算法进行优化。
5 实验结果
由本文第3部分知, 2个普通摄像机组成的双目视觉测量系统在暗室条件下对近红外标定板拍摄了18个不同位置的图像, 然后用Matlab软件中的摄像机标定工具箱对图像进行三维坐标重建, 再通过旋转和平移的方式建立一个统一的近红外标定模板。在计算三维坐标时, 能算出任意两点间的距离。板上有64个发光点, 故有112个距离。然后计算出18个图像上对应距离的平均值, 并以此为基准值, 得出平均误差, 如图5 (a) 所示, 由图知该误差小于0.03 mm。而图5 (b) 表示的是统一后的标准模板上对应两点距离与基准值间的误差值, 由图知该误差值接近于零。图5中的2幅图片验证了由本研究所设计的双目视觉测量系统测量得到的近红外标定模板的高精确度, 同时也说明该模板能有效用于近红外摄像机的标定。
使用计算得到的精确近红外标定板, 经过DLT和非线性优化可得出摄像机的焦距、主点、镜头畸变系数等参数。其实验结果如表1所示。
注:相对误差计算公式:
从其误差分析看, 摄像机焦距和主点误差均在其误差允许范围内, 通过对标定结果分析, 本实验的结果相对较准确, 基本可以满足后续跟踪定位的需求。
在标定过程中, 可求得2个摄像机的位置关系 (外部参数, 包括旋转矩阵和平移矢量) , 本实验结果见表2。
5 结论
本研究设计了一个能用于标定近红外摄像机的标定板, 并通过双目视觉测量系统获取近红外标定板的精确几何信息, 同时验证其测量误差小于0.03 mm。在标定时, 近红外摄像机先拍摄了多组不同位置的近红外标定板的图像, 然后提取图像上发光点的亚像素坐标, 利用每个亚像素点与空间中实际三维坐标点的一一对应关系, 应用线性估计和非线性估计的方法精确求解出近红外摄像机的内外部参数。
但我们在实验中发现, 近红外摄像机所拍摄的图像的质量对标定结果有较大的影响, 而拍摄图像的质量和摄像机的光圈调节与贴片近红外发光管的电压调节有很大关系。这就导致在获取高质量图像的过程中耗费很多时间来进行调节。另外, 晃动伪迹对标定结果也有较大的影响, 这主要是标定的抗噪声干扰能力比较弱。虽然我们已经得到近红外摄像机的内外部参数, 但是仍需要改善方法来降低测量误差。
参考文献
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红外摄像 篇4
虚拟演播室系统相对于传统演播室系统, 在硬件设备方面, 主要增加了摄像机跟踪系统、场景渲染系统和色键系统这三个主要系统, 在虚拟演播室中, 摄像机跟踪系统实时生成了摄像机的位置参数、运动参数及镜头参数, 提供给场景渲染系统来生成与前景三维透视关系一致的场景画面, 并最终将摄像机图像和场景图像在色键系统中进行合成, 形成虚实结合的视频图像, 这三个系统的性能直接决定了合成图像的效果。
解放军电视宣传中心2010年建设完成了一套三讯道全红外高清虚拟演播室系统。其虚拟系统部分由ORAD傲威公司设计搭建, 使用了该公司的XYNC全红外摄像机跟踪系统, HDVG场景渲染服务器等。这套虚拟演播室系统是通过红外摄像头和摄像机镜头数据盒将采集到摄像机跟踪数据, 提供给HDVG渲染服务器进行场景渲染生成, 图像在Ultimatte11高清色键器中合成, 形成节目信号。
这套演播室虚拟系统是使用目前很多先进的虚拟演播室技术, 特别是全红外摄像机跟踪系统, 代表了目前摄像机跟踪系统的一个发展方向。下面阐述一下该摄像机跟踪系统的搭建、调试及校准定位的过程, 供同行参考。
解放军电视宣传中心配置的一套三讯道全红外高清虚拟演播室系统, 采用的是ORAD的Xync全红外摄像机跟踪系统。该系统是在两台三脚架机位的摄像机上安装环形红外发射器, 一台摇臂式摄像机上安装星型红外发射器, 在演播室内安装32个红外摄像头进行红外拍摄, 系统设有4个图像处理单元 (Image Unit) , 每一台负责接收8个红外摄像头传来的红外图像数据, 再经由以太网将这些数据发送到Xync系统主机 (Main Unit) 进行数据处理。最后通过三角测量, 探测到发射器上红外发射器的的状态, 包括3个位置参数 (X、Y、Z) , 3个角度参数 (摇移Pan、俯仰Tilt、倾斜Roll) 。
同时, 齿合在摄像机镜头上的增量式旋转传感器, 实时地接收来自镜头的聚焦 (Focus) 、变焦 (Zoom) 的信息, 传回给摄像机镜头数据盒 (X-Halo Box) 。由镜头数据盒将获取的模拟的镜头跟踪数据转换成数字信号通过RS422数据线传送到系统主机 (Main Unit) 进行数据处理。
这样, 加上红外摄像头获取的6个运动参数, 总计8个运动参数。它们在系统主机 (Main Unit) 中通过一系列的法则运算和数据分析, 被计算出的每个变量的数值, 再通过网络将最终的摄像机运动参数数据传送到场景控制单元 (控制PC) 及图像渲染单元 (HDVG) 中进行图形渲染。
其基本框图如图1。
下面, 我们按全红外摄像机跟踪系统的安装流程, 对该系统中的主要设备的安装、调试逐一地介绍。
一红外发射装置的安装
摄像机红外发射装置分两种, 一种是用于三脚架机位使用的环形发射器, 见图2, ;一种是用于摇臂或肩扛的星型发射器, 见图3。
图中可以看到, 环形发射器和星型发射器上都有多个红外发射点, 以供摄像头拍摄进, 将这些红外发射点在红外摄像头中的成像, 经过数据分析计算, 得出发射器的位置和状态, 从而推算出摄像机 (X、Y、Z) 和 (Pan、Tilt、Roll) 。二者不同之处在于, 环形发射器不能提供摄像机Roll参数, 这与它的红外发射点的平面分布有关。
在选择红外反射器安装位置时, 需要考虑两个问题:即其在摄像机承托设备上的平衡问题和保持与摄像机运动的联动问题。为满足这两点要求, 在安装时要仔细选择位置, 特别在摇臂安装星形红外发射器时, 我们安装的位置在摇臂摄像机的一侧, 通过机械加工的铁板进行连接和固定 (见图3) 。
在安装时, 保持摄像机和发射器的稳定连接也很重要, 这会直接影响到系统使用实时传送的摄像机空间位置 (X、Y、Z) 数据的准确性。安装完成后, 需要确定红外发射器和摄像机中心的相对位置, 提供给跟踪系统的软件用于计算。
二红外摄像头的安装
在安装之前, 我们要了解红外摄像头的一些物理属性。本系统内的红外摄像头最佳拍摄距离为3M~5M, 拍摄角度约为60度。然后, 我们根据摄像机的最大活动范围和主要活动位置, 确定好红外跟踪区域范围, 并对红外摄像头进行安装。在摄像机主要活动区域中, 安装的密度要有所侧重。布置好红外摄像头的初步位置后, 通过摄像头安装云台进行方向和角度的调整, 使红外摄像头尽可能的保证全方位拍摄到更广空间的红外图像。总之, 安装分布的基本原则就是要充分照顾好摄像机活动区域范围的红外拍摄效果, 以保证摄像机在此区域内跟踪的稳定性。
在初步安装后, 将演播室四周 (包括玻璃窗和所有反光的物体) 用黑布遮挡, 确保演播室跟踪空间内没有反射光点的干扰。将演播室摄像机活动的跟踪区域划分成米字形的8个三角区域, 然后用一台装有红外发射器的摄像机进行初步测试。进行的步骤是将测试摄像机沿每个三角区域的三边来回移动, 然后在后台的跟踪软件中观察。为了保证跟踪的可靠性, 每个空间位置上可以拍摄到摄像机上红外发射器的摄像头个数需要在三个以上, 若不足, 需要进一步调整红外摄像头的位置及角度。
一般来说根据主观的观察进行安装, 先要尽量保证没有盲区 (即摄像机至少同时被3台以上红外摄像头覆盖) , 然后再做进一步的微调定位。
三增量式传感器及摄像机数据盒 (X-Halo Box) 的安装与连接
两个增量式旋转传感器通过电缆线分别连接到摄像机数据盒 (X-Halo Box) 正面板的Zoom和Focus端口 (见图7) , 跟踪变焦和聚焦的传感器附在每个镜头上与齿轮咬合 (见图6) , 实时地接收来自镜头的zoom、focus的信息, 传回给X-Halo Box。
数据盒安装相对简单, 找好三脚架或摇臂的平衡点安装固定即可。前后面板接口见图7。
四摄像机跟踪系统的安装布线、及设备连接与设置
红外摄像头通过VGA电缆线连接到图像处理单元 (Image Unit) , 每个图像处理单元 (Image Unit) 负责接收8个红外摄像头传来的红外图像数据。根据红外摄像头安装位置, 进行布线。因红外摄像头位置在灯光设备层, 会与灯光信号线和电源线距离不远, 在条件允许情况下, 建议安装在金属线槽内, 保证信号不受到干扰。
摄像机镜头数据盒 (X-halo Box) 通过RS422电缆连接到主机的RS422主端口, 用以传送摄像机镜头参数。镜头数据盒 (X-halo Box) 的数据线和电源根据摄像机位置而定, 最好与摄像机缆线捆绑联接, 有便于摄像机机位调整。
主机 (Main Unit) 和4个图像处理单元 (Image Unit) 的Internal Network端口通过路由器连接在同一网关中;主机 (Main Unit) 的Global Network端口通过另一路由器与渲染单元 (HDVG) 及控制单元 (控制PC) 连接, 传送运算分析出的每个摄像机参数数据用于场景实时渲染, 有关设备的安装和网络部分的布线, 根据现场情况按照基本的施工要求处理即可。
通过以上步骤, 整个摄像机跟踪系统的安装和布线就基本完成了, 但为保证系统的运行稳定和跟踪准确, 还需要对系统进行基本的设置、校准和定位。因为跟踪系统的设置与生产厂家的硬件和软件有关, 这里不做具体说明, 下面主要说明一下解放军电视宣传中心的全红外跟踪系统的校准与定位。
五全红外摄像机跟踪系统的校准与定位
虚拟演播室进行校准与定位的目的是要确保真实三维空间, 虚拟三维空间和真实视点与虚拟视点之间的正确关系。
真实视点是演播室三维空间里摄像机的视点, 其可由八个参数描述这个视点的运行情况。包括3个摄像机位置参数 (X、Y、Z) 、3个摄像机角度参数 (Tilt、Pan、Roll) 和两个摄像机镜头参数 (Zoom、Focus) , 它用数据描述了摄像机在演播室是如何拍摄的。虚拟视点是指在虚拟的三维空间中的虚拟摄像机视点, 使它可以从不同角度拍摄虚拟场景, 虚拟视点的运动参数是受控于真实视点的运动参数, 所有这些真实场景摄像机的运动参数必须以场频的速度连续不断地采集, 再将采集到的数据输入到图形工作站, 实时控制虚拟视点的运动变化, 使虚拟场景的观察角度和位置与演播室真实视点对前景的观察角度和位置完全一致, 以保证虚拟场景与真实前景景物的同步运动。
定位是将计算机生成的三维背景与摄像机拍摄的前景准确地进行匹配的过程, 即是把虚拟场景与真实空间进行匹配的过程, 其中包括了在各自空间运行的摄像机视点的匹配。
下面从红外摄像头空间相对位置的定位、摄像机镜头及角度变换的校准、摄像机镜头位置测量以及对跟踪系统初始化方面进行一一介绍。
1. 红外摄像头空间相对位置的定位
使用跟踪软件对红外摄像头进行微调定位。打开有红外摄像头拍摄记录功能的软件, 在摄像机工作区域内, 一人手持用于调试的白炽校准灯 (见图11) , 一边走一边保持校准光镜头与地面水平, 以缓慢的步速在演播室拍摄区域内横向来回行走一遍, 确保走完整个拍摄区域, 然后再纵向来回行走一遍, 同时确保走完整个拍摄区域。为了达到最佳效果, 在行走时, 尽量伸展手臂, 摇转用于校准的白炽灯, 摇转中尽量扩大范围, 充分覆盖到摄像机的最低工作高度和最高工作高度。行走完后, 使用跟踪软件对记录的红外图像进行分析, 每台红外摄像头的记录数据必须有2000点以上才为合格 (见图12) 。软件将判别出不符合要求的摄像头, 这就需要对该摄像头进行调整。调整的过程即上述过程的重复, 直到所有红外摄像头都符合测试要求。
在确定了红外摄像头的安装位置和角度后, 要做的是确定摄像头在真实与虚拟空间中的相对位置。具体操作主要分两步:首先, 将调整摄像头位置角度时使用的白炽灯固定在一个平板车上, 在整个拍摄区域内来回拖动;然后, 在设定的虚拟空间原点 (原点定义见注) 的纵向延长线上设置被测定位置的几个点, 依次点亮白炽灯。然后将白炽灯点亮处的纵向坐标位置 (以设定的坐标原点为基准) 等相关数据输入到跟踪软件进行运算即可。
2. 摄像机镜头参数的校准
由于镜头的光学参数与理想参数的偏差, 而且摄像机镜头在变焦和聚焦时是非线性运动, 所以调试系统前需要对镜头进行校准, 以保证虚拟摄像机的镜头视点也按照真实镜头的光学特性变化而变化。这是一个比较复杂的过程, 简单地说是根据摄像机成像的径向约束条件用全面最小二乘法 (TLS) 估算出的一条理论参数曲线与计算机采集到的摄像机参数进行优化后用非线性迭代法生成的一条校准参数曲线相综合, 最终作为摄像机的运动曲线。摄像机PAN、TILT、ROLL的校准过程与镜头校准过程原理相同。
3. 摄像机镜头与红外发射器相对位置测量
摄像机镜头的相对位置根据安装红外发射器类型的不同选择的中心点位置也不同。安装环形发射器的摄像机, 需要用水平仪及卡尺测量镜头光轴与俯仰底座中心轴之间的垂直距离, 及中心轴与成像平面之间的垂直距离, 并把测量出的数值输入校准软件, 设置X、Y和Z轴的偏移。测量这些数值的目的就是让计算机感知摄像机及其镜头的位置及相对关系。对于安装星形发射器的摄像机, 发射器中心体的中心选为中心点以此进行镜头位置的测量。
4. 对摄像机数据盒的初始化操作
摄像机数据盒 (X-Halo Box) 上设有2个复位按钮, 用来重置硬件。为了使系统能够知道摄像机相对于演播室空间的准确方位, 每次使用虚拟演播室时都要在系统运行前对摄像机数据盒进行初始化操作。过程大致如下:将摄像机放置在红外接受网络良好的位置, 镜头对向演播室蓝箱正面墙上, 将镜头焦距拉至最远, 聚焦无穷远, 此时同时按下摄像机数据盒 (X-Halo Box) 上的2个复位按钮3秒以上, 完成对摄像机数据盒的初始化操作。
六结束语
以上是解放军电视宣传中心所使用的虚拟演播室全红外摄像机跟踪的搭建、安装和调试情况。该系统运行一年多, 系统稳定, 一直保证着几个栏目的日常录制。前不久, 我们进行了检测, 系统功能完好, 跟踪系统未出现明显偏移。
摘要：本文通过对虚拟演播室全红外摄像机跟踪系统中红外发射装置、红外摄像头、系统主机 (Main Unit) 及周边硬件设备的布线、安装与调试的介绍, 及对全红外摄像机跟踪系统的校准与定位的阐述, 简单展示了整个全红外摄像机跟踪系统硬件部分的搭建与调试过程。