基于計(jì)算機(jī)視覺的基站天線俯仰角建模識(shí)別與測(cè)算

肖小潮 王臣昊

摘要：基站天線俯仰角是移動(dòng)通信無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要指標(biāo)之一，目前僅依靠人工爬站測(cè)量，存在諸多弊端。為此，本文試圖通過對(duì)板狀天線俯仰角建模，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)基站天線俯仰角的自動(dòng)識(shí)別與測(cè)算。研究表明，通過建?？梢詫⒏┭鼋菧y(cè)算轉(zhuǎn)化為天線側(cè)面矩形識(shí)別和其長邊斜率的測(cè)算問題，并依據(jù)工程數(shù)據(jù)設(shè)置矩形篩選條件；利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，可以對(duì)無人機(jī)拍攝照片進(jìn)行數(shù)字圖像處理，從而實(shí)現(xiàn)俯仰角的自動(dòng)測(cè)算；仿真結(jié)果對(duì)比網(wǎng)管平臺(tái)記錄驗(yàn)證了該自動(dòng)測(cè)算方法的可行性和準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺；基站天線俯仰角；邊緣檢測(cè)；矩形識(shí)別；自動(dòng)測(cè)算

中圖分類號(hào)： TN820； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）33-0244-04

基站天線俯仰角是移動(dòng)通信無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的重要指標(biāo)之一?；救刖W(wǎng)后，因?yàn)槭彝猸h(huán)境因素、維護(hù)人員調(diào)整后參數(shù)更新不及時(shí)或調(diào)整誤差，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的俯仰角與在網(wǎng)記錄的不一致，影響無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的準(zhǔn)確性和通信用戶體驗(yàn)。

實(shí)際工作中，基站天線俯仰角基本依靠人工爬站測(cè)量，存在諸多弊端：第一，存在高空作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)和天線輻射的危險(xiǎn)性；第二，成本高，塔工爬塔按次收費(fèi)，數(shù)百元每次；第三，人工作業(yè)效率低但工作量大，一位熟練的塔工每天爬塔數(shù)僅在個(gè)位數(shù)，而一個(gè)二線城市基站數(shù)能達(dá)到5位數(shù)；第四，測(cè)量差異化大，不同熟練程度的塔工的測(cè)量存在較大誤差。即便如此，目前對(duì)于優(yōu)化天線參數(shù)測(cè)量方法的研究非常少。秦嶺[1]提出使用改進(jìn)的全站儀，測(cè)量鐵塔天線關(guān)鍵點(diǎn)位的三維坐標(biāo)換算計(jì)算俯仰角等參數(shù)，但全站儀體積不小，且對(duì)于安裝環(huán)境復(fù)雜的天線存在遠(yuǎn)距離測(cè)量受限的問題；金超等[2]和陳建林等[3]對(duì)俯仰角測(cè)量的研究都是利用衛(wèi)星測(cè)算，這對(duì)于移動(dòng)通信中的天線并不適用。

本文對(duì)基站天線俯仰角幾何建模，并結(jié)合工程數(shù)據(jù)設(shè)置篩選條件完善模型，利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)對(duì)無人機(jī)拍回的照片處理，解決基站天線俯仰角的自動(dòng)測(cè)算問題。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性和準(zhǔn)確性。

1基站天線俯仰角識(shí)別測(cè)算建模

1.1基站天線俯仰角的幾何模型

基站天線多為板狀定向天線，如圖1所示，正面呈曲率半徑較大的矩形弧面，對(duì)外收發(fā)信號(hào)；兩個(gè)側(cè)面是矩形平面，分別與背面和水平面垂直；背面亦是矩形平面，可以以固定角度連接俯掛在抱桿上。假設(shè)板狀天線背面所在平面與水平面的夾角[β]，[α=90°-β]即為無線專業(yè)所關(guān)注的天線俯仰角。

設(shè)板狀天線的側(cè)面、背面和水平面的交點(diǎn)為O，在側(cè)面和背面的交線上取任意點(diǎn)B（非點(diǎn)O），在側(cè)面與水平面的交線上取任意點(diǎn)A（非點(diǎn)O），在背面與水平面的交線上取任意點(diǎn)C（非點(diǎn)O）。因?yàn)榘鍫钐炀€的側(cè)面同時(shí)與其背面和水平面垂直，所以背面和水平面的交線[lCO]是側(cè)面的垂線，從而得到[lBO⊥lCO]和[lAO⊥lCO]。因此，計(jì)算[AOB]即可得到板狀天線背面與水平面的夾角[β]，也即算出[lBO]的斜率可以算出俯仰角。

因此，通過建立幾何模型，基站天線俯仰角的測(cè)算可以轉(zhuǎn)化成天線側(cè)面矩形的識(shí)別和其長邊的斜率計(jì)算問題。

1.2完善模型的工程篩選條件

攝于工程環(huán)境的圖像由于背景的復(fù)雜不確定、成像的畸變和色差，以及處理產(chǎn)生的誤差，可能會(huì)識(shí)別出不止一個(gè)矩形圖像，干擾了天線側(cè)面的識(shí)別。因此，需要依據(jù)一定的工程數(shù)據(jù)設(shè)置篩選條件，完善識(shí)別模型，對(duì)干擾矩形進(jìn)行排除。

篩選條件一：現(xiàn)網(wǎng)中集采的板狀天線規(guī)格型號(hào)非常有限，且側(cè)面矩形的長寬比均在8：1以上。在對(duì)矩形長寬比篩選后，如有必要可以結(jié)合天線尺寸進(jìn)一步匹配。

篩選條件二：考慮到灰塵、光線等因素產(chǎn)生的顏色污染和成像誤差，圖像中的天線側(cè)面矩形內(nèi)部呈灰白色，可以通過一定的像素值范圍限定篩選。

篩選條件三：對(duì)于通過條件一和二篩選剩余的矩形，計(jì)算其長邊的斜率[φ]，若[φ-90°]在具有工程實(shí)際意義的俯仰角設(shè)定范圍之外，則可以進(jìn)一步排除干擾矩形。一般俯仰角范圍是[3°～12°]，并集中在[8°]左右。

2基于計(jì)算機(jī)視覺的俯仰角識(shí)別測(cè)算

如上所述的天線俯仰角測(cè)算模型的計(jì)算機(jī)處理環(huán)節(jié)可簡單分為基于計(jì)算機(jī)視覺的天線側(cè)面矩形檢測(cè)和檢出矩形的長邊斜率測(cè)算。

2.1基于Canny算子和多邊形曲線逼近的矩形識(shí)別

基于計(jì)算機(jī)視覺的矩形識(shí)別首先需要進(jìn)行邊緣檢測(cè)，再識(shí)別其中的矩形區(qū)域。

2.1.1Canny算子邊緣檢測(cè)

圖像中的邊緣[4]一般是指圖像中像素較為均勻的區(qū)域與局部周圍灰度級(jí)有明顯不同的區(qū)域的交界。在描述邊緣的屬性時(shí)一般使用法線方向和強(qiáng)度。法線方向是指邊緣某點(diǎn)局部周圍灰度變化最劇烈的方向，強(qiáng)度是指沿法線方向灰度變化的量度。因?yàn)閷?dǎo)數(shù)可以表達(dá)函數(shù)的變化率，所以對(duì)于離散二維像素點(diǎn)構(gòu)成的圖像，計(jì)算機(jī)可利用一階或二階微分算子的幾何意義尋找邊緣。

經(jīng)典的邊緣檢測(cè)的算子很多，一階微分算子有Roberts 、Sobel 、Prewitt，二階微分算子有Laplacian、Log/Marr，此外還有基于一階微分和約束優(yōu)化問題的Canny算子等。Canny算法較為復(fù)雜，但能檢測(cè)出弱邊緣有較好的抗噪性能。考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜性，在此選擇Canny算子[5-7]的邊緣檢測(cè)，步驟如下：

首先，將灰度化后的圖像高斯濾波。利用二維高斯分布函數(shù)，計(jì)算一個(gè)[3×3]的矩陣，并對(duì)該矩陣歸一化，得到新的矩陣作為權(quán)值模板，對(duì)圖像卷積實(shí)現(xiàn)濾波降噪。其中，歸一化前矩陣的中心點(diǎn)取二維高斯分布函數(shù)在原點(diǎn)的值，以此類推。

最后，雙閾值檢測(cè)真邊緣。對(duì)于第三步檢出的邊緣，可能存在噪聲造成的假邊緣，因此需要設(shè)置閾值對(duì)梯度幅值[gx，y]進(jìn)行過濾。閾值設(shè)置過低無法排除大部分假邊緣，閾值設(shè)置過高會(huì)造成弱的真邊緣被錯(cuò)誤排除，因此在Canny算子中采用了雙閾值檢測(cè)。排除[gx，y]小于低閾值的邊緣像素，保留[gx，y]大于高閾值的邊緣像素；對(duì)于[gx，y]介于兩個(gè)閾值中間的邊緣像素，若其八鄰域中像素點(diǎn)的[gix，y]均大于低閾值，且存在大于高閾值的[gnx，y]，則該像素點(diǎn)也判定為邊緣像素。

為了提高Canny算子邊緣檢測(cè)的成功率，還可以在檢測(cè)前后對(duì)圖像進(jìn)行一些變換處理。比如，在檢測(cè)前先使用向下采樣的金字塔分解，再使用向上采樣的金字塔分解進(jìn)行平滑處理；在檢測(cè)后使用膨脹處理，使相近的一些不連續(xù)邊緣連接起來，方便尋找連通域，確定正確的邊緣。

2.1.2多邊形曲線逼近的矩形識(shí)別

對(duì)檢出的邊緣識(shí)別其中的矩形常用兩種思路，一種利用霍夫變換[8]檢出邊緣線中的直線，根據(jù)直線之間的幾何關(guān)系識(shí)別出矩形；另一種對(duì)邊緣提取輪廓信息，使用多邊形曲線的點(diǎn)集逼近來獲取其中的矩形輪廓。

具體為，首先提取邊緣里的輪廓信息，包括組成一個(gè)輪廓的所有點(diǎn)的坐標(biāo)集合和輪廓之間的層次關(guān)系；其次，設(shè)定曲線逼近輪廓的精度[ε]，對(duì)每一個(gè)輪廓使用道格拉斯算法[9]獲得最少的輪廓分割點(diǎn)，滿足輪廓上任意兩個(gè)相鄰分割點(diǎn)之間的點(diǎn)到連接這兩個(gè)分割點(diǎn)的直線的距離都不大于[ε]，依次連接所有相鄰分割點(diǎn)的折線即逼近輪廓的多邊形曲線；最后，當(dāng)近似的多邊形曲線判斷為閉合凸四邊形，且利用余弦定理計(jì)算共點(diǎn)的兩條折線夾角為[90°]時(shí)，判斷存在矩形。

2.2矩形篩選和俯仰角測(cè)算

判斷這四個(gè)像素RGB三通道各自的均值是否在設(shè)定的數(shù)值范圍內(nèi)。之所以取近似三等分點(diǎn)，是因?yàn)榫_的三等分點(diǎn)不一定與像素點(diǎn)位置重合。

（4）篩選三，判斷矩形長邊斜率[φ]與[90°]差值的絕對(duì)值是否在有工程意義的俯仰角設(shè)定范圍[3°～12°]內(nèi)。

經(jīng)過三次篩選排除干擾矩形后，認(rèn)為剩下的矩形符合基站天線側(cè)面矩形的特征條件，記錄[φ-90°]即為基站天線俯仰角。

3應(yīng)用仿真

根據(jù)上述模型和算法，整理工程環(huán)境中的基站天線俯仰角測(cè)算流程如圖4所示。根據(jù)資管平臺(tái)記錄的待測(cè)基站天線的位置、高度和方向角參數(shù)，遙控?zé)o人機(jī)飛行至該天線附近，微調(diào)并懸停后拍攝天線側(cè)面待識(shí)別測(cè)算的照片[10]。

現(xiàn)選取周圍樓宇環(huán)境較為復(fù)雜的現(xiàn)網(wǎng)某樓頂站點(diǎn)進(jìn)行仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果的比對(duì)驗(yàn)證：

（1）仿真結(jié)果：針對(duì)該小區(qū)天線使用無人機(jī)拍攝照片，成功識(shí)別出符合本文模型條件的圖片如圖5所示，同時(shí)根據(jù)圖片計(jì)算測(cè)得俯仰角為[9.19422°]。

進(jìn)一步分析仿真細(xì)節(jié)。由上文的建?？芍趯?duì)無人機(jī)拍攝照片處理時(shí)，需識(shí)別出滿足天線側(cè)面長寬比、有效斜率范圍和像素值條件的天線側(cè)面矩形，并根據(jù)矩形長邊的斜率換算出俯仰角。若不考慮這些工程篩選條件，將會(huì)識(shí)別出如圖6所示的結(jié)果：除了可以用于計(jì)算俯仰角的矩形外，還有大量背景大樓上的窗戶和外墻磚。因此，對(duì)該站點(diǎn)的仿真也可以驗(yàn)證本文的模型在識(shí)別干擾較大的條件下的測(cè)試結(jié)果。

在圖6的基礎(chǔ)上，參照?qǐng)D4的仿真流程，添加工程篩選條件：①設(shè)置長寬比在[9.7?11.3]，②RGB三通道取值范圍R[65-95]、G[65-95]、B[55-105]，③保留長邊斜率在[78°?87°]以及[93°?103°]之內(nèi)的矩形。最終得到圖5所示的識(shí)別結(jié)果，換算得到俯仰角為[9.19°]。

（2）實(shí)測(cè)結(jié)果：該站點(diǎn)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)塔工測(cè)量，實(shí)際下傾角約為[9°]，與圖7所示的前期資管錄入的數(shù)據(jù)一致。

（3）仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果比對(duì)：在忽略計(jì)算機(jī)計(jì)算精度、人工測(cè)量誤差的情況下，可以認(rèn)為兩者結(jié)果一致。

（4）推廣應(yīng)用：繼續(xù)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)30個(gè)站點(diǎn)合計(jì)約120面天面進(jìn)行推廣使用，驗(yàn)證表明，該仿真軟件與現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測(cè)值基本一致，具有較高的準(zhǔn)確性，具備推廣應(yīng)用條件。

4結(jié)束語

本文對(duì)天線俯仰角測(cè)算建立了幾何模型，提出利用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)識(shí)別和測(cè)算，并根據(jù)工程數(shù)據(jù)進(jìn)一步排除處理干擾。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文方法的可行性和測(cè)算的準(zhǔn)確性。下一步，針對(duì)俯仰角測(cè)算，可以補(bǔ)充完善本文提出的幾何模型，研究通過識(shí)別天線其他面實(shí)現(xiàn)測(cè)算的方法；也可以針對(duì)基站天線的另外兩個(gè)參數(shù)高度和方向角的自動(dòng)獲取問題展開探討。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】