基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置及方法，能有效克服单孔径成像系统在成像过程中视场与分辨率的矛盾，对同一目标多幅图像的超分辨率重建过程能利用每张图像中的互补信息，有效应对水下复杂光线环境和噪声干扰，得到细节丰富清晰的高分辨率图像，利用基于灰度图的水下构筑物表面裂缝自适应检测方法，可以更有效的提取图像中前景信息，缩小裂缝检测范围，大幅降低水下噪声对裂缝检测的影响，提高裂缝检测精度，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置及方法，属于仿生和视频分析

技术介绍
水下构筑物，包括水库大坝、桥墩等，作为经济发展过程中的重要产物，是一个国家的基本建设设施，是关系到国计民生的重要工程，在农业、交通等方面发挥着重要作用。这些水下构筑物在发挥巨大效益的同时，也存在着发生事故的风险。究其原因，裂缝是造成水下构筑物重大事故的罪魁祸首。水下构筑物构表面的裂缝是使用过程中内部损伤的积累达到一定程度后的外部集中表现，如果能够及时了解裂缝的特征并加以跟踪监测，将能够有效保护公共财产和人民生命财产安全。目前，水下图像是对水下构筑物进行无损探伤的重要途径。但是，由于水下光线环境的复杂性，光线散射、吸收更加严重，噪声也更加难以去除，所以对水下计算机的视觉系统提出了严峻的挑战。因此，传统的大气成像系统很难直接应用于水下环境。随着仿生技术，尤其是视觉仿生技术的发展，仿昆虫复眼的多孔径视觉成像系统已经被应用到雷达、导弹等领域，能有效解决视场与分辨率的矛盾。因此，如何将基于复眼仿生视觉机制的多孔径成像系统应用到水下环境探测中去，以便应对水下复杂光环境，减少水下噪声干扰，提
升图像分辨率，从而提高水下构筑物裂缝检测精度，是当前急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术目的是为了现有的大气光学成像系统在水下环境探测中容易遭遇的光线散射、衰减严重，噪声难去除等困难，而且造成的图像分辨率下降的问题。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：包括封装在防水仓内部的复眼阵列、LED辅助光源和嵌入式处理机，所述复眼阵列，用于对水下构筑物进行视频图像拍摄，包括七个CCD摄像机，其中六个CCD摄像机呈正六角形排列，第七个CCD摄像机位于等边六角形的中心，所述七个CCD摄像机均位置固定，对同一方向且同时进行视频图像拍摄，所述LED辅助光源，用于为复眼阵列提供光照补偿，包括若干颗LED灯珠，各LED灯珠围成圆环形，并固定在第七个CCD摄像机的周圈，所述嵌入式处理机，用于对复眼阵列拍摄的水下构筑物图像进行处理，所述复眼阵列内的各CCD摄像机的输出端均与嵌入式处理机相连接，所述LED辅助光源与嵌入式处理机相连接，通过嵌入式处理机控制其内的各颗LED灯珠的通断。前述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述防水仓的一面为平面玻璃面，其余面为钢板面，所述复眼阵列通过平面玻璃面获取水下构筑物的视频图像，所述防水仓的防水水深为100米。前述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述复眼阵列内六个CCD摄像机呈正六角形排列，且按照昆虫复眼的正六边形排列，相邻的两个CCD摄像机光轴之间的间距为10厘米。前述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述LED灯珠的数量为16颗。前述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述嵌入式处理机包括ARM子系统、DSP子系统、电源模块、视频图像接口模块、DDR存储模块、Flash存储模块、数据输出模块、调试接口模块，所述电源模块为整个水下构筑物表面裂缝检测装置供电，所述视频图像接口模块用于提供复眼阵列与嵌入式处理机之间的数据接口，所述DDR模块用于存储复眼阵列采集的视频图像信息，并为ARM子系统、DSP子系统提供数据源，所述Flash存储模块用于存储程序代码，所述数据输出模块用于从嵌入式处理机中导出处理后的数据，所述调试接口模块用于程序代码调试时使用，所述ARM子系统、DSP子系统构成嵌入式处理机的主处理系统，所述主处理系统，用于对复眼阵列采集的视频图像信息进行超分辨率重构、水下构筑物裂缝检测分析以及LED辅助光源内LED灯珠的开启或关
闭。前述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述防水仓采用拖缆沉入水下或者搭载于水下机器人进入水下。基于上述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置的水下构筑物表面裂缝检测方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤(A)，初始化水下构筑物表面裂缝检测装置将复眼阵列、嵌入式处理机进行初始化设置，并整个水下构筑物表面裂缝检测装置密封在防水仓内，通过拖缆沉入水下或者搭载于水下机器人进入水下，使水下构筑物表面裂缝检测装置开始工作；步骤(B)，获得复眼阵列图像序列及存储通过复眼阵列获得复眼阵列图像序列，进行传输，并存储到嵌入式处理机内的DDR存储模块中；步骤(C)，复眼阵列图像的预处理从DDR存储模块中获取复眼阵列图像，通过嵌入式处理机对复眼阵列图像进行超分辨率重构，得到水下构筑物的高分辨率图像；步骤(D)，水下构筑物表面裂缝检测分析及数据存储根据步骤(C)得到水下构筑物的高分辨率图像，利用灰度形态学梯度和自适应灰度阈值的方法对疑似裂缝区域进行分割提取，并将标注过疑似裂缝区域的高分辨率图像存储到DDR存储模块中；步骤(F)，水下构筑物表面裂缝检测数据的输出水下构筑物表面裂缝检测装置完成水下作业后，用户通过数据输
出模块读取原始的复眼阵列图像和标注疑似裂缝区域的高分辨率图像，进行水下构筑物表面裂缝检测数据的输出，完成水下构筑物表面裂缝检测。前述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置的水下构筑物表面裂缝检测方法，其特征在于：步骤(C)通过嵌入式处理机对复眼阵列图像进行超分辨率重构，包括以下步骤，(C1)从DDR存储模块读取复眼阵列图像序列；(C2)对复眼阵列图像序列进行配准，使复眼阵列中同一时刻各CCD摄像机获取的图像已经对齐，设参考图像为f(x′,y′)，待配准的复眼阵列图像为g(x,y)，x，y)和(x’，y’)为含有相同信息的像素点分别在待配准的复眼阵列图像为g(x,y)和参考图像f(x′,y′)中的坐标，第七个CCD摄像机所产生的图像为序列同一时刻其他六个CCD摄像机所产生图像的参考图像，待配准的复眼阵列图像是图像序列中除参考图像外的其余所有图像；则两者关系式，如公式(1)所示，g(x,y)＝f(x+a1x+a2y+a3,y+a1y-a2x+a4) (1)其中，x′＝x+a1x+a2y+a3,y′＝y+a1y-a2x+a4a1，a2，a3，a4是四个待确定的参数，a3为水平位移量，a4为垂直位移量，旋转角度为对参考图像f(x′,y′)做泰勒展开并保留第一项，求得误差函数E，对误差函数E关于a1，a2，a3，a4分别求偏导，并令其偏导为零，得到a1，a2，a3，a4对应的值，即可得到复眼阵列图像序列的水平位移量、垂直位移量和旋转角度的估计值；(C3)对配准后的复眼阵列图像序列进行图像重构，根据(C2)得到的复眼阵列图像对应的位移分量和旋转角度的的估计值，做为复眼阵列图像待重构图像的输入量；(C4)图像重构时采用结构自适应归一化卷积法，对多帧低分辨率图像进行重构，从而获得高分辨率图像。前述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置的水下构筑物表面裂缝检测方法，其特征在于：(C4)图像重构时采用结构自适应归一化卷积法，对多帧低分辨率图像进行重构，包括以下步骤，(1)根据噪声鲁棒性分析多帧低分辨率图像，估计噪声像素；(2)得到噪声像素后，将改变多本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：包括封装在防水仓内部的复眼阵列、LED辅助光源和嵌入式处理机，所述复眼阵列，用于对水下构筑物进行视频图像拍摄，包括七个CCD摄像机，其中六个CCD摄像机呈正六角形排列，第七个CCD摄像机位于等边六角形的中心，所述七个CCD摄像机均位置固定，对同一方向且同时进行视频图像拍摄，所述LED辅助光源，用于为复眼阵列提供光照补偿，包括若干颗LED灯珠，各LED灯珠围成圆环形，并固定在第七个CCD摄像机的周圈，所述嵌入式处理机，用于对复眼阵列拍摄的水下构筑物图像进行处理，所述复眼阵列内的各CCD摄像机的输出端均与嵌入式处理机相连接，所述LED辅助光源与嵌入式处理机相连接，通过嵌入式处理机控制其内的各颗LED灯珠的通断。

【技术特征摘要】
1.基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：包括封装在防水仓内部的复眼阵列、LED辅助光源和嵌入式处理机，所述复眼阵列，用于对水下构筑物进行视频图像拍摄，包括七个CCD摄像机，其中六个CCD摄像机呈正六角形排列，第七个CCD摄像机位于等边六角形的中心，所述七个CCD摄像机均位置固定，对同一方向且同时进行视频图像拍摄，所述LED辅助光源，用于为复眼阵列提供光照补偿，包括若干颗LED灯珠，各LED灯珠围成圆环形，并固定在第七个CCD摄像机的周圈，所述嵌入式处理机，用于对复眼阵列拍摄的水下构筑物图像进行处理，所述复眼阵列内的各CCD摄像机的输出端均与嵌入式处理机相连接，所述LED辅助光源与嵌入式处理机相连接，通过嵌入式处理机控制其内的各颗LED灯珠的通断。2.根据权利要求1所述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述防水仓的一面为平面玻璃面，其余面为钢板面，所述复眼阵列通过平面玻璃面获取水下构筑物的视频图像，所述防水仓的防水水深为100米。3.根据权利要求1所述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述复眼阵列内六个CCD摄像机呈正
\t六角形排列，且按照昆虫复眼的正六边形排列，相邻的两个CCD摄像机光轴之间的间距为10厘米。4.根据权利要求1所述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述LED灯珠的数量为16颗。5.根据权利要求1所述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述嵌入式处理机包括ARM子系统、DSP子系统、电源模块、视频图像接口模块、DDR存储模块、Flash存储模块、数据输出模块、调试接口模块，所述电源模块为整个水下构筑物表面裂缝检测装置供电，所述视频图像接口模块用于提供复眼阵列与嵌入式处理机之间的数据接口，所述DDR模块用于存储复眼阵列采集的视频图像信息，并为ARM子系统、DSP子系统提供数据源，所述Flash存储模块用于存储程序代码，所述数据输出模块用于从嵌入式处理机中导出处理后的数据，所述调试接口模块用于程序代码调试时使用，所述ARM子系统、DSP子系统构成嵌入式处理机的主处理系统，所述主处理系统，用于对复眼阵列采集的视频图像信息进行超分辨率重构、水下构筑物裂缝检测分析以及LED辅助光源内LED灯珠的开启或关闭。6.根据权利要求1或2所述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置，其特征在于：所述防水仓采用拖缆沉入水下或者搭载于水下机器人进入水下。7.基于权利要求1所述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置的水下构筑物表面裂缝检测方法，其特征在于：包括以
\t下步骤，步骤(A)，初始化水下构筑物表面裂缝检测装置将复眼阵列、嵌入式处理机进行初始化设置，并整个水下构筑物表面裂缝检测装置密封在防水仓内，通过拖缆沉入水下或者搭载于水下机器人进入水下，使水下构筑物表面裂缝检测装置开始工作；步骤(B)，获得复眼阵列图像序列及存储通过复眼阵列获得复眼阵列图像序列，进行传输，并存储到嵌入式处理机内的DDR存储模块中；步骤(C)，复眼阵列图像的预处理从DDR存储模块中获取复眼阵列图像，通过嵌入式处理机对复眼阵列图像进行超分辨率重构，得到水下构筑物的高分辨率图像；步骤(D)，水下构筑物表面裂缝检测分析及数据存储根据步骤(C)得到水下构筑物的高分辨率图像，利用灰度形态学梯度和自适应灰度阈值的方法对疑似裂缝区域进行分割提取，并将标注过疑似裂缝区域的高分辨率图像存储到DDR存储模块中；步骤(F)，水下构筑物表面裂缝检测数据的输出水下构筑物表面裂缝检测装置完成水下作业后，用户通过数据输出模块读取原始的复眼阵列图像和标注疑似裂缝区域的高分辨率图像，进行水下构筑物表面裂缝检测数据的输出，完成水下构筑物表面裂缝检测。8.根据权利要求7所述的基于复眼仿生视觉的水下构筑物表面裂缝检测装置的水下构筑物表面裂缝检测方法，其特征在于：步骤(C)
\t通过嵌入式处理机对复眼阵列图像进行超分辨率重构，包括以下步骤，(C1)从DDR存储模块读取复眼阵列图像序列；(C2)对复眼阵列图像序列进行配准，使复眼阵列中同一时刻各CCD摄像机获取的图像已经对齐，设参考图像为f(x′,y′)，待配准的复眼阵列图像为g(x,y)，(x，y)和(x’，y’)为含有相同信息的像素点分别在待配准的复眼阵列图像为g(x,y)和参考图像f(x′,y′)中的坐标，第七个CCD摄像机所产生的图像为序列同一时刻其他六个CCD摄像机所产生图像的参考图像，待配准的复眼阵列图像是图像序列中除参考图像外的其余所有图像；则两者关系式，如公式(1)所示，g(x,y)＝f(x+a1x+a2y+a3,y+a1y-a2x+a4) (1)其中，x′＝x+a1x+a2y+a3,y′＝y+a1y-a2x+a4，a1,a2,a3,a4是四个待确定的参数，a3为水平位移量，a4为垂直位移量，旋转角度为对参考图像f(x′,y′)做泰勒展开并保留第一项，求得误差函数E，对误差函数E关于a1,a2,a3,a4分别求偏导，并令其偏导为零，得到a1,a2,a3,a4对应的值，即可得到复眼...

【专利技术属性】
技术研发人员：张颢，范新南，张学武，李广志，吴晶晶，
申请(专利权)人：河海大学常州校区，
类型：发明
国别省市：江苏;32