[發(fā)明專(zhuān)利]基于交比不變性的絕緣子串中軸線(xiàn)提取方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710089716.7
• 申請(qǐng)日: 2017-02-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106952249B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬志學(xué);李賢靚;沈新平;袁志強(qiáng);史良;馬杰聰;蔡建峰;李沖
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局;北京普銳電子有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G06T7/00
• 分類(lèi)號(hào): G06T7/00;G06T7/66
• 代理公司: 上海上大專(zhuān)利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

1.一種基于交比不變性的絕緣子串中軸線(xiàn)提取方法，其特征在于具體操作步驟如下：

(1)數(shù)據(jù)采集及建模：用深度傳感器Kinect v2對(duì)絕緣子串進(jìn)行掃描，采集深度圖像，采集完成之后輸入到計(jì)算中通過(guò)KinectFusion算法將采集到的圖像融合成一個(gè)完整的絕緣子串三維模型；

(2)馬氏距離判別：Kinect v2掃描獲取了整個(gè)絕緣子串點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，需要剔除絕緣子串的中心數(shù)據(jù)而保留傘裙數(shù)據(jù)；具體是依據(jù)獲取的各點(diǎn)云數(shù)據(jù)距離均值中心的馬氏距離來(lái)判別其是否為傘裙數(shù)據(jù)，若其馬氏距離大于給定閾值，則認(rèn)為其為傘裙數(shù)據(jù)，否則認(rèn)為其為中心數(shù)據(jù)，從而獲取剔除掉中心數(shù)據(jù)后保留下來(lái)的絕緣子串傘裙數(shù)據(jù)；

(3)中軸線(xiàn)向量估計(jì)：依賴(lài)馬氏距離判別得到相互獨(dú)立的各傘裙點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，利用傘裙間具有交比不變性構(gòu)造平行平面簇的目標(biāo)方程并進(jìn)行求解得到估計(jì)出的中軸線(xiàn)向量；

(4)中軸線(xiàn)圓心擬合：絕緣子串中軸線(xiàn)方向向量估計(jì)完成后，僅需中軸線(xiàn)上的一點(diǎn)，獲取其空間直線(xiàn)方程，再次利用交比不變性約束獲取具有全局最優(yōu)的軸線(xiàn)方程；由約束條件求解出各個(gè)傘裙的圓心坐標(biāo)和半徑，得到具有全局優(yōu)化的絕緣子中軸線(xiàn)方程；

所述步驟(3)中軸線(xiàn)向量估計(jì)：依賴(lài)馬氏距離判別方法獲取了相互獨(dú)立的m個(gè)傘裙點(diǎn)云，每個(gè)傘裙所包含的點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)目分別為n_i個(gè)，i＝1，2，...，m，則m個(gè)傘裙間近似為m個(gè)相互平行的平面，即各個(gè)傘裙具有相同的法向量且為中軸線(xiàn)方向向量，同時(shí)各個(gè)相鄰平面間的距離均相等記為Δd，即m個(gè)傘裙間具有交比不變性質(zhì)，因而由該m個(gè)傘裙構(gòu)成的平行平面簇表示為，

n^Tx+d_i＝0 (5)

其中，n^T是n的轉(zhuǎn)置，n＝[n_x n_y n_z]表示中軸線(xiàn)的方向向量，||n||為方向向量的模，其值為1，x為傘裙數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)x＝[x y z]，d_i＝d+i·Δd，i＝1，2，…，m，d為初始距離，d_i為第i個(gè)傘裙的距離；

此時(shí)m個(gè)傘裙數(shù)據(jù)所構(gòu)成的平行平面簇J的目標(biāo)方程為：

其中，m為絕緣子串傘裙數(shù)目，n_i為第i個(gè)傘裙的數(shù)據(jù)數(shù)目，x_ij表示第i個(gè)傘裙上的第j個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

進(jìn)而令

即u為包含待求參數(shù)的向量，n_x，n_y，n_z分別是軸線(xiàn)向量各方向的分量，ξ為包含已知參數(shù)的向量，x，y，z分別是三個(gè)方向上的點(diǎn)云坐標(biāo)，i表示傘裙個(gè)數(shù)，i＝1，2，…，m，T表示向量的轉(zhuǎn)置，

則平行平面簇J的目標(biāo)方程寫(xiě)為：

其中ξ_ij表示第i個(gè)傘裙上的第j個(gè)點(diǎn)云已知參數(shù)向量以及M表示如下：

其中x_ij，y_ij，z_ij分別表示第i個(gè)傘裙上的第j個(gè)點(diǎn)云在三個(gè)方向上的坐標(biāo)；

最終將目標(biāo)參數(shù)求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為特征值估計(jì)問(wèn)題，即

Mu＝λu (10)

其中，λ為特征值，其所對(duì)應(yīng)的參數(shù)即為所需求解的平行平面簇方程參數(shù)為[n_x n_y n_z dΔd]；

所述步驟(4)中軸線(xiàn)圓心擬合：絕緣子串中軸線(xiàn)方向向量估計(jì)完成后，僅需中軸線(xiàn)上的一點(diǎn)，獲取其空間直線(xiàn)方程，然而依賴(lài)一個(gè)傘裙的圓心數(shù)據(jù)確定的直線(xiàn)方程，只能獲得局部最優(yōu)的直線(xiàn)方程估計(jì)而未能充分所有傘裙數(shù)據(jù)，所以再次利用交比不變性約束來(lái)希望獲取具有全局最優(yōu)的軸線(xiàn)方程；

設(shè)由軸線(xiàn)向量(n_x，n_y，n_z)和基準(zhǔn)圓心(a，b，c)構(gòu)成的直線(xiàn)方程為：

其中t為比例系數(shù)，其值為常數(shù)；任意傘裙與基準(zhǔn)傘裙間構(gòu)成的平行圓環(huán)間距關(guān)系為：

此時(shí)任意傘裙圓心坐標(biāo)與基準(zhǔn)傘裙圓心坐標(biāo)間關(guān)系為：

其中a_i，b_i，c_i表示第i個(gè)傘裙的圓心坐標(biāo)，i＝1，....m；

空間中圓的一般方程描述為空間球體與空間平面的交線(xiàn)，如下式所示，此處的特殊之處在于傘裙的圓心與空間球體的圓心為同一點(diǎn)，傘裙的圓心坐標(biāo)位于平行平面上，且平行平面的法向量為中軸線(xiàn)的方向向量，

其中r_i是第i個(gè)傘裙的半徑；將上式中第一個(gè)非線(xiàn)性球面方程轉(zhuǎn)為平面線(xiàn)性方程為：

2xa_i+2yb_i+2zc_i+e_i＝x²+y²+z² (15)

其中：

式(15)左側(cè)的a_i、b_i、c_i以及e_i是未知參數(shù)；

結(jié)合式(5)、式(13)和式(15)消去待估計(jì)參數(shù)c則有，

其中a、b和e_i為待估計(jì)參數(shù)，即共有2+m個(gè)參數(shù)需要估計(jì)，f_i的表示式如下：

f_i＝x²+y²+z²+iΔd(2xn_x+2yn_y+2zn_z) (18)

將式(17)重寫(xiě)為矩陣式為

其中，i_i＝[0₁，…，1_i，…，0_m]，e_m＝[e₁，…，e_m]^T，將估計(jì)的a、b和e_i帶入式(13)和式(16)中，獲得各個(gè)傘裙的圓心坐標(biāo)和半徑，最終提取到所需的全局優(yōu)化后的絕緣子串中軸線(xiàn)。