一种基于立体视觉的闪电三维定位方法技术

本发明专利技术提出了一种基于立体视觉的闪电三维定位方法，适用于闪电的空间重建和三维定位，涉及计算机视觉和航空航天等领域。该方法采用立体视觉技术对空间中的闪电进行三维定位，根据闪电的二维图像直观展示闪电的发展过程，以便于进一步探究和预警闪电活动。该方案包括：A、搭建双目立体视觉硬件系统，标定摄像机相关参数；B、采集闪电图像并进行预处理；C、分割提取闪电骨架线；D、匹配左右图像闪电序列点；E、利用双目立体视觉测量模型计算闪电的空间三维坐标。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提出了一种基于立体视觉的闪电三维定位方法，适用于闪电的空间重建和三维定位，涉及计算机视觉和航空航天等领域。
技术介绍
闪电是大气中瞬时的强放电过程，根据是否接地可分为地闪和云闪两种。闪电是我国最严重的自然灾害之一，由于其具有大电流、强电磁辐射等特性，常常引起森林火灾、供电中断、通讯故障、设备破坏等事故，尤其影响空中飞行器的安全。据保守估计，我国每年因雷灾造成的人员伤亡上千人，直接经济损失超过数亿元，而由此造成的间接经济损失和影响难以估计，雷电灾害已经波及到各行各业和生活的方方面面。闪电定位数据是对将要发生闪电活动的区域进行预警以提前采取应对措施、减少闪电灾害损失的重要基础。另外，闪电定位数据也是进行灾害事故成因调查的重要依据。目前闪电定位主要采用VLF和LF两种方法，这两种方法难以直接观测闪电的发生和发展过程。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提出一种基于立体视觉的闪电三维定位方法，采用立体视觉技术对空间中的闪电进行三维定位，根据闪电的二维图像直观展示闪电的发展过程，以便于进一步探究和预警闪电活动。本专利技术解决上述技术问题所采用的方案是：一种基于立体视觉的闪电三维定位方法，包括以下步骤：A、搭建双目立体视觉硬件系统，标定摄像机相关参数；B、采集闪电图像并进行预处理；C、分割提取闪电骨架线；D、匹配左右图像闪电序列点；E、利用双目立体视觉测量模型计算闪电的空间三维坐标。作为进一步优化，步骤A中所述搭建双目立体视觉硬件系统，标定摄像机相关参数，具体包括：A1、搭建双目立体视觉硬件系统：将两台相同型号的摄像机以一定的基线距离固定在光学平台上，保证闪电在两台摄像机成像范围之内；A2、拍摄标定板图像组：将棋盘格标定板放置于双目平台前方，使标定板在两个相机中完整成像；通过旋转、平移标定板方式拍摄多组不同姿态下的标定板图像；A3、以左相机坐标系为世界坐标系，提取标定板图像角点，用最小二乘法获得左右相机的内部参数矩阵、外部参数矩阵以及左右相机镜头的畸变参数。作为进一步优化，步骤B中，所述采集闪电图像并进行预处理，具体包括：用标定好的双目相机采集闪电图像，左摄像机采集的图像为原始左图像，右摄像机采集的图像为原始右图像，然后，根据标定参数对左右图像进行消除畸变和极线校正处理，并对原始左、右图像进行滤波、增强操作。作为进一步优化，步骤C中，所述分割提取闪电骨架线，具体包括：C1、利用阈值法或边缘检测分割方法二值化闪电图像；C2、采用两步迭代法细化二值化图像，得到只含一个像素点的闪电轮廓线；C3、提取细化后闪电轮廓的起始点和分支点；C4、分割闪电初始骨架线。作为进一步优化，步骤C2中，细化二值化图像的方法具体包括：扫描整幅二值化图像，定义待删除的像素为p1，p1周围的近邻像素位置关系为：以p1为中心，p2、p6、p8、p4分别位于p1的上、下、左、右位置，p9、p3、p7、p5分别位于p1的左上、右上、左下、右下位置；定义n(p1)和s(p1)两个参数，其中n(p1)表示与p1相邻的非零像素个数，s(p1)表示沿p2p3p4p5p6p7p8p9p2顺序由像素值0过渡到像素值1的总次数；对于某点p1＝1，如果同时满足下面四个条件，则将p1标记为“可删除”，将全部图像扫描一遍后再统一删除：条件1:2<＝n(p1)<＝6；条件2：s(p1)＝1；条件3：p2*p4*p6＝0；条件4：p4*p6*p8＝0。作为进一步优化，步骤C3中，所述提取细化后闪电轮廓的起始点和分支点，具体包括：闪电轮廓的起始点是闪电的端点，用TopPoint表示；闪电轮廓的分支点是闪电的分支处的结点，用BranchPoint表示：C31、遍历图像中的非零像素点p1；C32、计算以像素点p1为中心的3×3大小窗口的近邻像素非零个数pcount，以及在所述p1周围的近邻像素位置关系下，沿p9p2p3p4p5p6p7p8p9顺序由像素值1过渡到像素值1的总次数A；C33、根据pcount和A的关系判断该像素点的属性：当pcount-A>＝3时，该点为闪电分支点BranchPoint；当pcount-A＝1时，像素点p1为闪电起始点TopPoint；C34、当遍历完整幅图像后，结束搜索，完成闪电轮廓起始点和分支点的提取。作为进一步优化，步骤C4中，所述分割闪电初始骨架线，是指将细化后图像中的闪电分割成多条骨架线L(m,k)，其中，m表示图像中第m条闪电分支骨架线，k表示这条骨架线上的第k个数据点，每条骨架线上的轮廓点不重复；具体分割步骤包括：C41、以闪电的TopPoint为起始点开始搜索属于同一分支的闪电序列点，遇到分支点即停止搜索，直到遍历完所有TopPoint；C42、以BranchPoint为起始点开始搜索属于同一分支的闪电序列点，遇到其他分支点即停止，直到遍历完所有分支点。作为进一步优化，步骤D中，所述匹配左右图像闪电序列点，包括：以左图像中的闪电序列点为待匹配点，根据极线约束原则和自适应支撑权重算法，采用胜者为王WTA原则在右图像中所有闪电序列点中找到相应匹配点，匹配步骤包括：D1、根据双目相机实际所能测量的最小和最大物理距离Zmin,Zmax，得到左右相机匹配点对的最大和最小视差Maxdisp、Mindisp：Zmin=B*fMaxdisp-(cx-cx′)---(1)]]>Zmax=B*fMindisp-(cx-cx′)---(2)]]>其中，B为相机间的基线距离，f为相机像素焦距，cx和cx′表示左右相机光心横坐标，均由标定所得；D2、根据极线约束原则，以分割得到的闪电分支序列点为待匹配对象，在右图像的所有闪电序列点中找到与左图像闪电点横坐标相同且视差在最大和最小视差范围内的序列点为左图像的候选匹配点；D3、计算左图像的闪电序列点和与之相对应的所有候选匹配点的能量代价，能量代价计算公式为：E(p,p‾d)=Σq∈Np,q‾d∈Np‾dω(p,q)ω(p‾d,q‾d)e(q,q‾d)Σq∈Np,q‾d∈Np‾dω(p,q)ω(p‾d,q‾d)---(3)]]>其中，p表示左图像中的待匹配点，q表示左图像中以p为中心的邻域Np内的像素点，表示右图像中与序列点p视差为d的候选匹配点，表示右图像中以为中心的邻域内的像素点，Np和大小一致，通常为33×33或35×35大小的奇数方形窗口，表示像素点q和在RGB颜色空间的原始能量代价，ω(p,q)表示待匹配点p和像素点q的支撑权重；ω(p,q)的计算公式如下：e(q,q‾d)=min{Σc∈{r,g,b本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于立体视觉的闪电三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：A、搭建双目立体视觉硬件系统，标定摄像机相关参数；B、采集闪电图像并进行预处理；C、分割提取闪电骨架线；D、匹配左右图像闪电序列点；E、利用双目立体视觉测量模型计算闪电的空间三维坐标。

【技术特征摘要】
1.一种基于立体视觉的闪电三维定位方法，其特征在于，包括以下步骤：A、搭建双目立体视觉硬件系统，标定摄像机相关参数；B、采集闪电图像并进行预处理；C、分割提取闪电骨架线；D、匹配左右图像闪电序列点；E、利用双目立体视觉测量模型计算闪电的空间三维坐标。2.如权利要求1所述的一种基于立体视觉的闪电三维定位方法，其特征在于，步骤A中所述搭建双目立体视觉硬件系统，标定摄像机相关参数，具体包括：A1、搭建双目立体视觉硬件系统：将两台相同型号的摄像机以一定的基线距离固定在光学平台上，保证闪电在两台摄像机成像范围之内；A2、拍摄标定板图像组：将棋盘格标定板放置于双目平台前方，使标定板在两个相机中完整成像；通过旋转、平移标定板方式拍摄多组不同姿态下的标定板图像；A3、以左相机坐标系为世界坐标系，提取标定板图像角点，用最小二乘法获得左右相机的内部参数矩阵、外部参数矩阵以及左右相机镜头的畸变参数。3.如权利要求2所述的一种基于立体视觉的闪电三维定位方法，其特征在于，步骤B中，所述采集闪电图像并进行预处理，具体包括：用标定好的双目相机采集闪电图像，左摄像机采集的图像为原始左图像，右摄像机采集的图像为原始右图像，然后，根据标定参数对左右图像进行消除畸变和极线校正处理，并对原始左、右图像进行滤波、增强操作。4.如权利要求3所述的一种基于立体视觉的闪电三维定位方法，其特征在于，步骤C中，所述分割提取闪电骨架线，具体包括：C1、利用阈值法或边缘检测分割方法二值化闪电图像；C2、采用两步迭代法细化二值化图像，得到只含一个像素点的闪电轮廓线；C3、提取细化后闪电轮廓的起始点和分支点；C4、分割闪电初始骨架线。5.如权利要求4所述的一种基于立体视觉的闪电三维定位方法，其特征在于，步骤C2中，细化二值化图像的方法具体包括：扫描整幅二值化图像，定义待删除的像素为p1，p1周围的近邻像素位置关系为：以p1为中心，p2、p6、p8、p4分别位于p1的上、下、左、右位置，p9、p3、p7、p5分别位于p1的左上、右上、左下、右下位置；定义n(p1)和s(p1)两个参数，其中n(p1)表示与p1相邻的非零像素个数，s(p1)表示沿p2p3p4p5p6p7p8p9p2顺序由像素值0过渡到像素值1的总次数；对于某点p1＝1，如果同时满足下面四个条件，则将p1标记为“可删除”，将全部图像扫描一遍后再统一删除：条件1:2<＝n(p1)<＝6；条件2：s(p1)＝1；条件3：p2*p4*p6＝0；条件4：p4*p6*p8＝0。6.如权利要求5所述的一种基于立体视觉的闪电三维定位方法，其特征在于，步骤C3中，所述提取细化后闪电轮廓的起始点和分支点，具体包括：闪电轮廓的起始点是闪电的端点，用TopPoint表示；闪电轮廓的分支点是闪电的分支处的结点，用BranchPoint表示：C31、遍历图像中的非零像素点p1；C32、计算以像素点p1为中心的3×3大小窗口的近邻像素非零个数pcount，以及在所述p1周围的近邻像素位置关系下，沿p9p2p3p4p5p6p7p8p9顺序由像素值1过渡到像素值1的总次数A；C3...

【专利技术属性】
技术研发人员：余勤力，王时丽，唐荣富，周剑，龙学军，
申请(专利权)人：成都通甲优博科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：四川;51