本發(fā)明涉及變電站設(shè)備圖像采集領(lǐng)域，具體涉及具有偏振鏡的變電站室內(nèi)巡檢機器人圖像采集系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

目前，對變電站設(shè)備圖像采集時，采用室內(nèi)軌道機器人采集屏柜設(shè)備圖像，避免了人工的現(xiàn)場采集，安全可靠，但是在變電站室內(nèi)巡檢機器人采集屏柜設(shè)備圖像時存在屏柜玻璃反光的現(xiàn)象。

本領(lǐng)域中的相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)中，中國第201510290300.2號專利介紹了一種具有自適應(yīng)偏振鏡調(diào)節(jié)的巡檢機器人圖像處理系統(tǒng)及方法，在攝像機前方設(shè)置偏振鏡，降低景物表面的反光。攝像機的光軸垂直穿過偏振鏡的中心，并且偏振鏡可以以可見光相機的光軸為中心軸旋轉(zhuǎn)，根據(jù)計算的表計反射光線的偏振極性方向，來調(diào)節(jié)偏振鏡放置角度。但是只有當(dāng)自然光的入射角是布儒斯特角時，反射光是完全偏振光，如果入射光角度不合適，消除反光不能達到好的效果。

中國第201310312020.8號專利控制擬被拍照物體到光源和相機連線的夾角為兩倍的布儒斯特角，在相機鏡頭的前方設(shè)置一個垂直相機光軸的偏振片，通過旋轉(zhuǎn)偏振片，分時拍攝多幅具有不同偏振角度的偏振圖像，對偏振圖像劃定像素點窗口，將窗口內(nèi)像素點灰度值與閾值進行比較，選取灰度值大于閾值的像素點個數(shù)最小的窗口內(nèi)像素點融合成像。此方法雖然使得入射角為布儒斯特角，但是只能使得光源正照的地方拍攝清晰。如果拍攝的目標(biāo)面積很大，不會使得所有地方都拍攝清晰。

中國第201410014250.0號專利介紹了一種帶薄膜的信封用光源照射取像時消除曝光點的方法，當(dāng)窗口信移動到讀圖像區(qū)域時，用于讀圖像的掃描相機的光源經(jīng)過雙層偏振，第一層偏振將光源的發(fā)散光，變成有方向的偏振光，降低了發(fā)散光照在窗口信塑料膜表面產(chǎn)生反射光的概率，同時弱化了光的強度，第二層偏振通過調(diào)整偏振的角度，過濾掉經(jīng)過第一層偏振后仍存在的亮點的疊加光，進入相機的圖像就還原了窗口的清晰信息，從而消除了拍照時的反光亮點，準(zhǔn)確識別整封窗口信的完整信息。但是如果被拍攝物體有凸出的部分，就會造成陰影，影響目標(biāo)的識別。

室內(nèi)軌道機器人巡檢屏柜設(shè)備的現(xiàn)場圖如圖1(a)-圖1(b)所示，側(cè)視圖如圖2(a)-圖2(b)所示。當(dāng)使用攝像機對屏柜內(nèi)設(shè)備進行圖像采集時，玻璃的反射光會在采集的設(shè)備圖像中形成大的光斑，影響屏柜內(nèi)電力設(shè)備工作狀態(tài)的識別，如圖3所示，原理圖如圖4所示。因此需要采用必要的措施減少玻璃反射光。

目前室內(nèi)軌道機器人進行采集屏柜設(shè)備圖像主要存在以下幾方面問題：

1.如果只在相機前方加偏振鏡，要求光源的入射角必須是布儒斯特角，才能達到最好的消除反光的效果。

2.如果使用增透膜來增加玻璃的透射率以減少反光，鍍膜的玻璃是光學(xué)玻璃，而不是普通的工業(yè)玻璃，而且鍍膜玻璃尺寸有限制，不能太大，并且增透膜只是減少反光，并不能消除。變電站室內(nèi)屏柜設(shè)備數(shù)量繁多，貼膜工作增加了人力、財力成本投入。

3.如果在相機鏡頭和物體之間增加相機衰減片降低反光造成的亮斑，會導(dǎo)致圖像整體變暗，細節(jié)不能分辨。

因此，需要對室內(nèi)軌道機器人進行采集屏柜設(shè)備圖像做進一步的改進。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了具有偏振鏡的變電站室內(nèi)巡檢機器人圖像采集系統(tǒng)及方法，本發(fā)明的目的是：解決室內(nèi)智能巡檢機器人圖像采集時玻璃反光的問題，改善采集圖像的質(zhì)量，提高屏柜內(nèi)電力設(shè)備狀態(tài)的識別率。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：

具有偏振鏡的變電站室內(nèi)巡檢機器人圖像采集系統(tǒng)，包括安裝在室內(nèi)巡檢機器人云臺箱體中的攝像機和至少一個光源，所述攝像機及光源的前方均固定有方向可調(diào)的偏振鏡；

光源偏振方向調(diào)整單元，用于調(diào)節(jié)光源偏振鏡的方向，當(dāng)使用單光源或雙光源時，使得光的振動面與入射面平行，即偏振鏡的偏振方向和偏振鏡到攝像機的連線在一條直線上；當(dāng)使用其他光源方案時，按照設(shè)定偏振鏡的偏振方向設(shè)置方法調(diào)節(jié)光源偏振鏡方向；

攝像機偏振方向調(diào)整單元，用于調(diào)節(jié)攝像機上偏振鏡的方向；當(dāng)使用單光源或雙光源時，使攝像機上偏振鏡的偏振方向和光源偏振鏡的偏振方向垂直，過濾掉光源在玻璃上的反射光；當(dāng)使用其他光源方案時，按照設(shè)定偏振鏡的偏振方向設(shè)置方法調(diào)節(jié)偏振鏡的方向。

進一步的，所述光源的數(shù)量為一個時，所述光源放置在以攝像機為圓心的圓上，攝像機的光軸方向朝正前方，光源入射方向和攝像機光軸方向有一定的夾角，該夾角使得攝像機拍攝到光源正照的地方。

進一步的，所述光源入射方向和攝像機光軸共面，且兩者的夾角為

arctan(D/L)

其中L是光源到攝像機的距離，D是攝像機到屏柜玻璃的距離。

進一步的，所述光源的數(shù)量為兩個時，兩個光源和攝像機放在三倉的云臺中，兩個光源和攝像機的前方均固定有方向可調(diào)的偏振鏡，所述攝像機對稱的兩側(cè)各放置一個光源，適用于含有凸出的屏柜設(shè)備。

進一步的，所述兩個光源放置在以攝像機為中心的對稱位置上，偏振鏡的偏振方向和偏振鏡到攝像機的連線在一條直線上。

特別地，所述兩個光源放置在攝像機左右兩側(cè)，光源偏振鏡的偏振方向則為水平。

特別地，所述兩個光源放置在攝像機上下兩側(cè)，光源偏振鏡的偏振方向則為豎直。

本發(fā)明還公開了具有偏振鏡的變電站室內(nèi)巡檢機器人圖像采集方法，包括

將攝像機和光源安裝在室內(nèi)巡檢機器人的云臺箱體中，攝像機的光軸方向朝正前方，調(diào)整光源入射方向和攝像機光軸方向的夾角使得攝像機拍攝到光源正照的地方；

在攝像機前方固定一個方向可調(diào)節(jié)偏振鏡，在光源上固定一個方向可調(diào)節(jié)偏振鏡；

調(diào)節(jié)光源偏振鏡的方向，使得光的振動面與入射面平行，也就是偏振鏡的偏振方向和偏振鏡到攝像機的連線在一條直線上；

調(diào)節(jié)攝像機上偏振鏡的方向，使其與光源偏振鏡的方向正交；

打開光源進行圖像采集。

進一步的，在安裝偏振鏡之前還需要確定每個偏振鏡的偏振方向，并做出標(biāo)記，以便后續(xù)方便進行方向的調(diào)整。

特別地，如果在攝像機左右兩側(cè)分別放置一個光源，光源偏振鏡的偏振方向則為水平；如果在攝像機上下兩側(cè)分別放置一個光源，光源偏振鏡的偏振方向則為豎直。

特別地，調(diào)節(jié)攝像機上偏振鏡的方向時，如果光源放置在攝像機左右兩側(cè)，攝像機上的偏振鏡的偏振方向為豎直；如果光源放置在攝像機上下兩側(cè)，攝像機上的偏振鏡的偏振方向為水平。

進一步的，光源方案不僅限于單光源和雙光源，當(dāng)采用其他光源方案時，光源前面的偏振鏡的偏振方向設(shè)置方法：

光源入射光的振動面和反射光的振動面的關(guān)系為

${\mathrm{tan\α}}^{,}=-tan\mathrm{\α}\frac{cos(i-\mathrm{\γ})}{\cos (i+\mathrm{\γ})}$

其中i為偏振光的入射角，γ為偏振光的折射角，α為入射光的振動面與入射面的夾角，α'為反射光的振動面與入射面的夾角；

當(dāng)光源的位置確定后，入射方向照射到攝像機要采集的圖像區(qū)域，i、γ和入射面便已知，當(dāng)攝像機前面的偏振鏡的偏振方向確定后，其正交方向就是反射光的振動方向，α'也已知，便可以求出α。

如果一個光源和攝像機的連線與水平方向的夾角是θ，攝像機前方的偏振鏡的偏振方向設(shè)置為水平，當(dāng)光源反射光的振動方向為豎直，即反射光的振動面和入射面的夾角為90°-θ時，消除反射光，因此可以得出入射光的振動面和入射面的夾角為

由于入射面也已知，便可確定光源前面偏振鏡的偏振方向，i為偏振光的入射角，γ為偏振光的折射角。

進一步的，上述具有偏振鏡的變電站室內(nèi)巡檢機器人圖像采集方法也適用于當(dāng)云臺平移或者旋轉(zhuǎn)時的情況，仍然按照設(shè)置好的光源位置和偏振鏡的方向工作。

本發(fā)明的有益效果：

(1)削弱玻璃反光：變電站室內(nèi)屏柜設(shè)備有玻璃門，光源照射到上面會形成強烈的反光，導(dǎo)致拍攝的圖像中有大片的光斑，圖像中玻璃門內(nèi)的設(shè)備。在攝像機和光源上加上偏振鏡并且調(diào)整到合適的角度后，可以有效減弱玻璃的反光，但對玻璃門內(nèi)設(shè)備表面的漫反射光則影響不大。另外，室內(nèi)日光燈關(guān)閉，室內(nèi)其他物體黑暗，不會在玻璃柜內(nèi)形成反光。

(2)光源入射角度無限制：一般應(yīng)用偏振鏡消弱反光時，要求光源的入射角為布儒斯特角，因為此時的反射光才為偏振光，大大限制了其應(yīng)用范圍。由于本發(fā)明中光源加了偏振鏡，光源出來的光本身就是偏振光，經(jīng)過玻璃反射后仍為偏振光，所以不需要光源的入射角度為布儒斯特角，就可以達到消除玻璃反光的效果。

(3)調(diào)整好偏振鏡的角度后，在機器人運動過程中，就不用再次調(diào)整偏振鏡角度。

(4)在同一光照下采集不同位置的設(shè)備圖像。

(5)有效消除設(shè)備的陰影。雖然兩個光源傾斜照到屏柜設(shè)備上，但由于兩個光源左右對稱放置，不存在照射暗區(qū)，可有效消除陰影。

(6)節(jié)約電能。光源由機器人本身提供，只照亮當(dāng)前識別的設(shè)備區(qū)域，不需要打開室內(nèi)所有燈光。

附圖說明

圖1(a)室內(nèi)軌道機器人巡檢屏柜設(shè)備現(xiàn)場圖一；

圖1(b)室內(nèi)軌道機器人巡檢屏柜設(shè)備現(xiàn)場圖二；

圖2(a)室內(nèi)軌道機器人巡檢屏柜設(shè)備側(cè)視圖一；

圖2(b)室內(nèi)軌道機器人巡檢屏柜設(shè)備側(cè)視圖二；

圖3屏柜玻璃反射光造成的大光斑；

圖4光源會在玻璃面上形成反光影響設(shè)備識別；

圖5光源偏振片與相機偏振片設(shè)置方案；

圖6自然光通過雙偏振鏡；

圖7光源和攝像機前面加偏振鏡消除反光；

圖8使用兩個光源消除設(shè)備陰影；

圖9光源任意放置時偏振鏡角度的調(diào)節(jié)；

圖10偏振鏡消除屏柜玻璃反光效果圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明：

如圖5所示，具有偏振鏡的變電站室內(nèi)巡檢機器人圖像采集方法的流程圖，具體步驟如下(此處以雙光源為例進行說明)：

步驟1，確定每個偏振鏡的偏振方向，并做出標(biāo)記。

步驟2，安裝光源、攝像機和偏振鏡。將攝像機和光源安裝在云臺箱體中，光源在攝像機左右兩側(cè)(或上下兩側(cè))放置，攝像機的光軸方向朝正前方，光源入射方向和攝像機光軸共面，且兩者的夾角為

arctan(D/L)

使得攝像機拍攝到光源正照的地方。其中L是光源到攝像機的距離，D是攝像機到屏柜玻璃的距離。在攝像機前方固定一個偏振鏡，在每個光源上固定一個偏振鏡，偏振鏡的方向可以調(diào)節(jié)。

步驟3，調(diào)節(jié)每個光源偏振鏡的方向，使得光的振動面與入射面平行，也就是偏振鏡的偏振方向和偏振鏡到攝像機的連線在一條直線上，這樣可以使得光在玻璃面的反射率最小。特別地，如果光源放置在攝像機左右兩側(cè)，光源偏振鏡的偏振方向則為水平；如果光源放置在攝像機上下兩側(cè)，光源偏振鏡的方向則為豎直。

步驟4，調(diào)節(jié)攝像機上偏振鏡的方向，使其與光源偏振鏡的方向正交。特別地，如果光源放置在攝像機左右兩側(cè)，攝像機上的偏振鏡的偏振方向為豎直；如果光源放置在攝像機上下兩側(cè)，攝像機上的偏振鏡的偏振方向為水平。

步驟5，打開所有的光源進行圖像采集，并且當(dāng)云臺平移或者旋轉(zhuǎn)時，仍然按照設(shè)置好的光源位置和偏振鏡的方向工作。

為了更好的解釋本發(fā)明的創(chuàng)新點，下面介紹關(guān)于雙偏振鏡消除反光原理：

圖6是自然光通過雙偏振鏡的過程。兩個偏振鏡的偏振方向垂直，第一個偏振鏡偏振方向為豎直，第二個偏振鏡偏振方向為水平。自然光通過第一個偏振鏡后變成在豎直方向振動的偏振光，通過第二個偏振鏡時，由于偏振光的振動方向和偏振鏡的偏振方向垂直，從第二個偏振鏡無光線射出。

基于上述原理，使用單光源消除反光方案：

圖7是室內(nèi)巡檢機器人利用雙偏振鏡采集屏柜圖像消除反光的過程。在光源前面加一個偏振鏡，使得入射光是偏振光，偏振光在屏柜玻璃上同時發(fā)生反射和折射。偏振光反射后，仍然是偏振光，只是振動面相對入射光的偏振面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)。因此在攝像機前面加一個偏振鏡，使得其偏振方向和反射光的偏振方向垂直，這樣就過濾掉了反射光，基本消除了設(shè)備成像上的大光斑。

使用雙光源消除反光方案：圖8是加對稱雙光源的示意圖，其中光源和攝像機放在三倉的云臺中。有些屏柜設(shè)備凸出來一部分，單側(cè)光源照射，會形成陰影，因此在攝像機左右兩側(cè)各放置一個光源，消除設(shè)備陰影。另外還將光源偏振鏡的偏振方向調(diào)節(jié)為水平，因為當(dāng)偏振光的振動面與入射面平行時，反射率最小。

其他光源布置方案：除了上述的單光源和雙光源的方案外，光源可以在以攝像機為圓心的任意圓上放置，光源的個數(shù)和位置不受限制。為了使光源照射到攝像機拍攝的設(shè)備區(qū)域，光源入射方向和攝像機光軸共面，且兩者的夾角為

arctan(D/L)

其中L是光源到攝像機的距離，D是攝像機到屏柜玻璃的距離。

設(shè)某個光源和攝像機的連線與水平方向的夾角是θ，攝像機前方的偏振鏡的偏振方向設(shè)置為水平，如圖9所示，此時光源前面的偏振鏡的偏振方向設(shè)置方法如下。

根據(jù)光學(xué)相關(guān)理論，線偏振光的反射光仍然是偏振光，但是其振動面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，入射光的振動面和反射光的振動面的關(guān)系為

${\mathrm{tan\α}}^{,}=-tan\mathrm{\α}\frac{cos(i-\mathrm{\γ})}{cos(i+\mathrm{\γ})}$

其中i為偏振光的入射角，γ為偏振光的折射角，α為入射光的振動面與入射面的夾角，α'為反射光的振動面與入射面的夾角。當(dāng)光源的位置確定后，入射方向照射到攝像機要采集的圖像區(qū)域，i、γ和入射面便已知，當(dāng)攝像機前面的偏振鏡的偏振方向確定后，其正交方向就是反射光的振動方向，α'也已知，便可以求出α

$\mathrm{\α}=arctan(-\frac{cos(i+\mathrm{\γ})}{\cos (i-\mathrm{\γ})}{\mathrm{tan\α}}^{,})$

由于攝像機偏振鏡的偏振方向為水平，當(dāng)光源反射光的振動方向為豎直，即反射光的振動面和入射面的夾角為90°-θ時，才能有效消除反射光。因此可以得出入射光的振動面和入射面的夾角為

由于入射面也已知，便可確定光源前面偏振鏡的偏振方向。

特別地，當(dāng)偏振光的振動面與入射面平行或者垂直時，反射光的振動面仍然與入射面平行或者垂直，偏振光的振動方向不改變。因此當(dāng)光源放置在攝像機的上下左右位置時，光源的偏振鏡的偏振方向設(shè)置為與攝像機的偏振方向正交即可。

另外，本申請還公開了具有偏振鏡的變電站室內(nèi)巡檢機器人圖像采集系統(tǒng)，包括安裝在室內(nèi)巡檢機器人云臺箱體中的攝像機和至少一個光源，所述攝像機及光源的前方均固定有方向可調(diào)的偏振鏡；

光源偏振鏡用一個可旋轉(zhuǎn)裝置固定在云臺上光源前方，手動或者馬達驅(qū)動來調(diào)節(jié)光源偏振鏡的偏振方向。當(dāng)使用單光源或雙光源方案時，使得光的振動面與入射面平行，即偏振鏡的偏振方向和偏振鏡到攝像機的連線在一條直線上；當(dāng)使用其他光源方案時，按照所述方法調(diào)節(jié)光源偏振鏡方向。

攝像機偏振鏡用一個可旋轉(zhuǎn)裝置固定在云臺上攝像機前方，手動或者馬達驅(qū)動調(diào)節(jié)攝像機上偏振鏡的偏振方向。當(dāng)使用單光源或雙光源方案時，使攝像機上偏振鏡的偏振方向和光源偏振鏡的偏振方向垂直，過濾掉光源在玻璃上的反射光；當(dāng)使用其他光源方案時，按照所述方法調(diào)節(jié)偏振鏡的方向。

本發(fā)明實現(xiàn)了變電站室內(nèi)智能巡檢機器人對屏柜設(shè)備的圖像采集方法及系統(tǒng)，技術(shù)關(guān)鍵點是攝像機和光源的布局放置及偏振鏡角度的設(shè)置方法。并詳細公開了單光源偏振鏡消除反光和多光源偏振鏡消除反光的技術(shù)方案。本申請可以拍得設(shè)備清晰的圖像，效果圖如圖10所示。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。