（华电淄博热电有限公司 山东淄博 255000）
摘要：燃煤作为发电厂最大的成本支出项，其盘点和存储管理在生产过程中具有重要意义。目前发电厂一般采用激光盘煤和无人机盘煤两种方法，但这两种方法都不具有实时性和自动化特性。本文提出一种基于运动结构恢复的多目摄像机盘煤系统，通过普通摄像机阵列采集图像，重建煤场三维结构，从而计算煤场体积，实现盘煤自动化。本方法在华电淄博热电有限公司试用，得到较好效果。
关键词：盘煤；运动结构恢复；普通多目摄像机
0 引言
基于国家环保对电力行业的要求，目前很多火力发电厂都对煤场进行了封闭式改造，使用封闭煤场进行燃煤存储。燃煤作为发电厂最大的成本支出项，其盘点和存储管理在生产过程中具有重要意义。
传统的盘煤方法主要是人工盘煤，该方法先对煤堆进行压实整形，然后皮尺和标杆对整形后的煤场煤堆进行人工丈量[1]。由于人工测量方法受煤堆的几何形状影响大，目前也有采用手提激光盘煤仪进行盘煤的方法[2,3]。人工方式精度低，误差大，而且煤场工作安全风险较大。
随着激光扫描技术的发展，盘煤技术逐步向自动化发展。激光技术一般需要找到2-3个测量点，可以将测量图像拼接起来完成整个煤场的体积测量[4]。罗建明等人[5]和朱永强[6]使用OpenGL内嵌函数完成了三维煤场的重建。蒋宁[7]采用三角测距法对煤堆体积进行自动测量，李学相等人[8]则在激光测量中提出一种基于Delaunay三角剖分的改良算法。为了实现盘煤自动化，研究人员采用了多种激光扫描仪承载技术。如通过转动云台实现固定激光扫描仪的全方位扫描[9]，以及安装在斗轮机上，激光测量系统随着斗轮机沿煤场行走而对煤堆进行三维测量的方法等[10-12]。由于斗轮机视场范围有限，因此杨青青通过智能移动穿梭车实现基于激光扫描仪的自动盘煤[13]。激光扫描仪三维重建需要结合位置信息进行，一般在激光扫描仪顶部安装定位设备，同时需要在煤场顶端安装定位基准站[14]。
由于激光扫描仪视角的限制，无人机技术被应用到盘煤中，实现煤堆的全方位扫描，如邢亚飞采用六轴飞行器承载激光扫描仪实现煤堆三维重建[15]。黄校春等人[16]和蔡文霞[17]通过无人机的精确GPS定位信息，通过差分定位实现三维重建。袁千军[18]、吴泽南等人[19]、程健等人[20]则通过无人机拍摄的图像，结合拍摄时的GPS定位信息实现三维重建。基于无人机的图像重建方法则包括倾斜摄影测量[21]、空中三角测量[22]、运动结构恢复[23]等。
激光扫描价格较高，而无人机则需要GPS/北斗信号导航，该条件由于封闭煤场对导航信号的屏蔽而无法采用。为解决该问题，本文提出了使用普通摄像机阵列，采用运动结构恢复实现煤堆三维重建的方法。该方法不需要导航信号的支持，同时由于普通摄像机价格低廉，实现了低成本煤堆体积测量。
1 框架设计
1.1 系统架构
系统架构如图1所示。云台一体机构成二维可见光图像采集系统，采集的图像经解码器进入总线系统。总线系统是视频管理和维护的抽象层，其由解码器和对外标准接口组成，解码器将视频输入解码并转换为统一格式，标准接口为盘煤系统及以后的各类监控系统提供标准化视频接口。
三维重建的一系列算法集成到计算机视觉服务器，作为视频总线的一个具体应用提供服务。所需的渲染、浏览、查询、控制等人机交换操作则集成到计算机视觉监控器，提供人机交互接口供工作人员使用。
系统对外接口是与其它系统交换数据的接口，能够调用大数据平台的煤质化验参数等数据，并为其它系统提供三维点云数据、入库历史、出库历史、现存煤量等数据。
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图 1 系统架构
Fig. 1 System architecture
1.2 算法流程
算法流程如图2所示。多目摄像机阵列采集的图像，先需要进行畸变校正，消除边缘畸变的影响。然后提取图像特征点，并将交叠区域特征点进行匹配，以便于三维重建。
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图 2 算法流程
Fig. 2 Algorithm framework
点云重建采用增量式重建方法，即先建立稀疏点云，再建立稠密点云。前者主要是考虑效率因素，后者则是考虑精度因素。最后，在点云基础上，构造三角面，然后对每个三角面计算体积，累加积分求得最终体积。
2 基本算法
2.1 畸变校正
摄像机成像是通过透镜，将真实世界的三维坐标映射到图像的二维坐标。由于透镜中心和边缘放大率不一样，导致图像产生径向畸变。同时，由于透镜和成像平面不相对平行，导致切向畸变。畸变校正即通过技术手段将畸变消除。
我们采用畸变生成公式的泰勒展开式，保留前面几项，求得畸变变换如式（1）所示。
畸变校正时，先将图像坐标映射到正常图像的物理坐标，再根据式（1）得到畸变后的图像物理坐标，最后再转换为畸变的图像像素坐标。
畸变校正得到的坐标一般不是整数，可以通过双线性插值得到坐标的整数值。
2.2 特征点提取与匹配
目前较为成熟的特征点匹配算法有尺度不变特征变换（Scale-invariant feature transform, SIFT）[24]和加速稳健特征（Speeded up robust features, SURF）[25]，其中SIFT准确率较高，而SURF运行效率较高。考虑到目前计算机的运行能力，我们采用SIFT特征提取与匹配算法。
SIFT算子是把图像中检测到的特征点用一个128维的特征向量进行描述，因此一幅图像经过SIFT算法后表示为一个128维的特征向量集，该特征向量集具有对图像缩放，平移，旋转不变的特征，对于光照、仿射和投影变换也有一定的不变性，是一种非常优秀的局部特征描述算法。
为了在尺度空间中找到稳定不变的极值点，SIFT特征提取中采用高斯差分，如式（2）所示。
其中 和 是连续的两个图像的平滑尺度，所得到的差分图像在高斯差分金字塔中。
计算每层金字塔的极值，当前点与其周围26个点值相比，如果是最大值或者最小值则该点为极值点，否则不是，从而得到SIFT特征点。
2.3 点云重建
当找到两个图像的一系列匹配点后，就可以根据匹配点对重建三维点云。为了降低搜索空间，采用极线搜索方法。
极限约束理论包括如下两个准则：
空间中任意一点在图像平面上的投影点必然处于由该点和两个摄像头中心组成的对极平面上。
对于图像上的某一特征点，其在另一个视图上的匹配点处于对应的对极线上，这称为极线约束。
极线搜索中，参考图像中的一个点对应另一幅图像中的一条线段，如图3所示。左边的相机观测到了某个像素，这时不知道该像素深度。假设深度可能在 ，在另一个摄像机看来，这条线段的投影形成图像平面上的一条线，称为极线。
极限搜索即对原图像上的任意点，在另一幅图像的一条线上搜索其匹配点。通过SIFT特征的相似度计算，可以得到这样的匹配点，从而通过双目视觉恢复得到深度信息，重建出一个个的三维点，形成三维点云。
2.4 体积计算
有了点云模型后，体积计算就比较简单了，这里采用投影法。
首先确定基准0面，然后通过对点云进行坐标变换，然后投影到xOy平面，对平面上的点构建三角网。三角网就是由一系列相连的但不重叠的三角形的集合，而且这些三角形的外接圆不包含这个面域的其他任何点，即生成的三角网中的任意一个三角形不能包含其他的三角形的顶点。
这样，可以以每个三角形为顶面，三角形顶点对应的三点到基准0面的距离均值为高，计算三棱柱体积。三角网中三棱柱体积之和，即为目标物体体积。
三角网的构造采用常用的Delaunay算法。
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图 3 参考图像点与匹配图像线的对应关系
Fig. 3 Correspondence between reference image points and matching image line
三角网映中一个三角形投影的三棱柱如图4所示。考虑计算量问题，这里把三棱柱简化为上下底面都是水平形式。首先计算底面面积，假设三角形三边长分别为 ，根据海伦公式，可以得到三角形面积为：
3 实验结果
实验在华电淄博热电有限公司新建的二、三期煤场实施，二期煤场长160m、宽100m、高46.5m，三期煤场长355m、宽110m、高46.5m。
摄像机采用高清摄像机，分辨率400万像素，23倍光学变焦，4.8-110mm大范围焦距。摄像机安装在马道上，以便于维护，间距大约15米一个。
采用高速步进电机云台，采用软件方式控制云台的上下、左右运动角度，以实现少量摄像机的大面积覆盖。云台的控制可以采用软件自动控制，也可以通过计算机视觉监控器的人机接口，由工作人员控制，以便在需要时查看煤棚内的视觉信息。
摄像机拍摄图像可以通过质量一次完成，即所有摄像机可以根据指令在非常短的时间内同时拍摄照片，省去了激光盘煤仪扫描的时间。拍摄的照片如图5所示。
三维重建结果可以显示煤堆的细节信息，包括小的凸起等。煤场存煤变化后，系统能够及时展示出来，效果如图6所示。
图 6 三维重建效果
Fig. 6 Result of 3D reconstruction
4 结论
本文采用运动结构恢复方法实现基于普通摄像机阵列的三维重建，并计算体积。该方法不需要使用摄像机的位置信息，因此对于没有GPS/北斗信号的封闭煤场也可以适用。普通摄像机价格低廉，较激光盘煤仪具有较大的成本优势。同时，摄像机可以安装在马道附近，便于维护。结合煤场的煤质管理，本系统可以为掺配燃烧提供技术支持。本系统设计相对其它方式来说，具有多方面优势，且已得到实际应用。
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作者简介：
刘永（1973.08），男，本科，高级工程师，华电淄博热电有限公司党委书记、董事长。
刘永同志于1995年参加工作到华电淄博热电有限公司，历任锅炉分场副主任、扩建办质监部副主任、锅炉分场主任、安监部主任及安监副总等职务。于2007年调任华电国际莱州项目筹建处，历任筹备处主任助理、筹备处副主任和华电莱州发电有限公司副总经理、党委委员兼任华电莱州港务有限公司总经理，现任华电淄博热电有限公司党委书记、董事长，主持公司全面工作。自参加工作以来，刘永同志脚踏实地、担当作为、攻坚克难、开拓创新，为华电淄博公司和华电莱州公司的发展事业作出了积极贡献