水下小目标动态精细检测三维成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种水下小目标动态精细检测三维成像装置，包括平台（3），其特征在于：激光发射模块与水下摄像机（1）固定安装在平台上，水下摄像机（1）与处理单元（5）连接。激光检测是一种非接触式高精度高分辨率的检测技术，本发明专利技术的水下小目标动态精细检测三维成像装置，由于采用激光阵列单元，减少了点云数据拼接次数，提高点云成像质量，实现了海底高精度精细目标的动态检测。

3D imaging device and method for dynamic fine detection of small underwater target

【技术实现步骤摘要】
水下小目标动态精细检测三维成像装置及方法
本专利技术涉及一种水下小目标动态精细检测三维成像装置，属于水下机器人探测

技术介绍
为了满足水下机器人在复杂海洋环境下的高效自主作业需求，水下目标检测作为机器人“眼睛”的功能要求越来越高，探测技术手段也越来越先进。水下目标检测的任务是在特定区域找出感兴趣的目标，是目标提取与识别的重要过程，目前应用较为广泛的主要有声学检测、光学检测和磁探测技术等。由于水体对电磁波的快速吸收作用，光学探测距离近，水中悬浮颗粒物的散射以及光源的不均匀性都会导致图像严重退化，由三维到二维的成像过程不可避免地损失了深度信息。基于双目光视觉的水下目标检测从理论上可以补充空间信息，但针对水下非结构化环境下的双目视觉特征匹配容易出现误匹配和病态问题，在线处理的计算量大、速度慢、精度差、故障率高。因此，水下目标探测长期以声学探测为主，具有探测距离远、不受水质条件影响等优势，高分辨率图像声纳技术发展迅速，包括前视声纳、侧扫声纳、多波束测深声纳，得到了广泛的应用。与光学相比，声学图像反映的是目标对声波的反射能量强度空间分布，由于水声信道的复杂性导致声学图像非常不直观、难以理解。因此，近年来出现了对声纳图像进行几何特征提取再进行空间重构的三维声纳成像技术，但由于水声信道噪声干扰，声纳波束主瓣指向不可避免存在旁瓣效应，导致成像分辨率虽高但检测精度较低，无法满足小目标的精细检测要求。此外，距离1m以内是目前三维声纳成像的检测盲区。激光扫描三维成像是当前比较前沿的高新技术手段，具有高分辨率、高精度的特点，图像处理计算量大大降低，但依然存在扫描速度慢、一致性构图质量受导航定位精度、载体位姿变化影响等缺陷。因此，水下机器人高速航行工况下近距离内的水下小目标精细检测是目前亟待解决的关键难题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：现有的水下光视觉、声视觉获得的都是二维图像，光学探测受到水中悬浮颗粒散射、光源不均匀照明等影响，声学探测受到水声信道多途效应、换能器波束旁瓣效应等影响，成像质量较差及检测精度难以保证，无法准确获取水下目标的三维信息，不方便在线测量目标空间尺度特征，载体高速运动下的动态匹配非常困难。为满足水下小目标及精细结构的高分辨率三维检测需求，本专利技术提出一种水下小目标动态精细检测三维成像装置及方法，是水下光视觉与水下激光扫描技术的创新组合，利用激光指向性强、蓝绿激光水下穿透性强等优点，首次采用平行激光阵列代替单线激光器进行快速扫描，大幅提高了水下激光的三维成像效率，实现多线激光扫描一次成像，可对高速航行工况下的水下动态小目标进行高效、高分辨率、高精度的三维点云成像，可搭载于各类水下机器人完成精细目标检测、环境监测等任务。本专利技术的水下小目标动态精细检测三维成像装置，包括平台3，激光发射模块与水下摄像机1固定安装在平台上，水下摄像机1与处理单元5连接。进一步地，所述平台安装在水下机器人8的下部，激光发射模块与水下摄像机1方向向下安装在平台3上，所述激光发射模块为阵列激光发射单元2，水下摄像机1向阵列激光发射单元2方向倾斜安装。进一步地，所述水下摄像机1为两台，分别安装在阵列激光发射单元2的两侧。进一步地，所述激光发射模块为单线激光器4，激光发射模块、水下摄像机1与处理单元5均安装在平台3上，所述平台3固定安装在步进电机6的输出轴上，所述步进电机6安装在支架7上。一种水下小目标动态精细检测三维成像方法，具体包括以下步骤：步骤一：硬件校准，包括水下摄像机内参校准以及激光器与水下摄像机之间的外参标定；步骤二：当激光发射模块为单线激光器时，通过步进电机按角度步进控制单线激光器旋转；当激光发射模块为阵列激光单元时，阵列激光单元通过平台所搭载的机器人控制步进移动；步骤三：中央处理单元采集水下摄像机拍摄的原始图像；步骤四：从步骤三得到的原始图像中分离出所有激光测线，对每条测线进行单独处理；步骤五：对分离出的每条激光测线进行序列识别，包括检测激光测线是否完整未丢失和激光测线是否出现重合；步骤六：对分离出的激光测线图像进行高斯滤波；步骤七：自动分割阀值去除图像背景，得到激光测线最终的计算图像；步骤八：逐行计算激光测线位置，确定行号数为i″y的激光测线位置曲线图中各个波峰的几何中心位置i″x及对应的波峰值，即未校正的激光测线位置和激光测线强度值；步骤九：使用步骤一中标定的激光器旋转角度校正步骤八中得到的几何中心位置i″x、行号数为i"y，得到矫正后的波峰几何中心位置ix、图像像素行号iy；步骤十：计算测量物体的三维点云，并将三维点云绘制在三维坐标上，三维点云颜色深浅由激光测线强度值决定；或直接使用差分方法将被测量物体表面的色彩信息提取至三维点云中；步骤十一：重复步骤二至步骤十，每得到设定帧数的图像则进行一次步骤十二；设定帧数可以10,也可以根据实际需求调整；步骤十二：进行三维数据后处理，包括进行三维点云的简化以及三维点云的结构化。本专利技术所达到的有益效果：激光检测是一种非接触式高精度高分辨率的检测技术，本专利技术的水下小目标动态精细检测三维成像装置，由于采用激光阵列单元，减少了点云数据拼接次数，提高点云成像质量，实现了海底高精度精细目标的动态检测。本专利技术的阵列激光检测系统能完善在测量高速移动物体时存在点云成像畸变的缺陷，实现高精度高速目标的检测工作。本专利技术的阵列激光检测系统即使在较差的污浊的水下环境中，依然能够实现高精度的水下成像。当阵列激光安装在水下机器人等运动载体上，每条激光测线独立形成的三维数据交叠区产生关联，通过点云信息特征分割、特征聚类方法提取三维点云图像局部特征，基于概率准则量化的局部特征匹配，根据匹配数据及特征一致性约束获取三维阵列激光图像所提供的位姿校准信息补偿载体运动位姿误差。相对于单线激光器，本专利技术的阵列激光发出多条激光打在目标物体上，一幅图像上能获取多条激光上的三维信息，提高了扫描密度，可减少测量次数，提升了测量精度以及测量效率。附图说明图1是水下阵列激光扫描三维成像原理图；图2是等间距阵列激光器与水下摄像机布置示意图；图3是多角度阵列激光器与水下摄像机布置示意图；图4水下机器人搭载阵列激光器水下目标三维成像原理示意图；图5是实施例1中采用双水下摄相机的阵列激光器水下目标三维成像原理示意图；图6是实施例2中采用双水下摄相机的阵列激光器水下目标三维成像原理示意图；图7为镜头畸变对比示意图；图8为相机成像平面偏差示意图；图9为标定示意图；图10为激光器与相机外参标定示意图图11为颜色与各通道分割值对照表；图12为分割后的各颜色示意图；图13为开启激光器前后的两幅图像对比示意图；图14为分离出的激光测线效果图；图15为分离出的原始激光测线位置曲线图；图16为未进行高斯滤波的激光测线位置曲线图；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下小目标动态精细检测三维成像装置，包括平台(3)，其特征在于：激光发射模块与水下摄像机(1)固定安装在平台上，水下摄像机(1)与处理单元(5)连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种水下小目标动态精细检测三维成像装置，包括平台(3)，其特征在于：激光发射模块与水下摄像机(1)固定安装在平台上，水下摄像机(1)与处理单元(5)连接。


2.根据权利要求1所述的水下小目标动态精细检测三维成像装置，其特征在于：所述平台安装在水下机器人(8)的下部，激光发射模块与水下摄像机(1)方向向下安装在平台(3)上，所述激光发射模块为阵列激光发射单元(2)，水下摄像机(1)向阵列激光发射单元(2)方向倾斜安装。


3.根据权利要求2所述的水下小目标动态精细检测三维成像装置，其特征在所述水下摄像机(1)为两台，分别安装在阵列激光发射单元(2)的两侧。


4.根据权利要求1所述的水下小目标动态精细检测三维成像装置，其特征在于：所述激光发射模块为单线激光器(4)，激光发射模块、水下摄像机(1)与处理单元(5)均安装在平台(3)上，所述平台(3)固定安装在步进电机(6)的输出轴上，所述步进电机(6)安装在支架(7)上。


5.根据权利要求2或3所述的水下小目标动态精细检测三维成像装置，其特征在于：所述阵列激光发射单元的激光器布置方式为：
多个激光器(9)按设定间隔平行排列布置，所述激光器为一字线激光器；或
在同一垂直平面的同一位置布置多个激光器，所述激光器为一字线激光器，每个一字线激光器以不同的角度安装。


6.一种水下小目标动态精细检测三维成像方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：硬件校准，包括水下摄像机内参校准以及激光器与水下摄像机之间的外参标定；
步骤二：当激光发射模块为单线激光器时，通过步进电机按角度步进控制单线激光器旋转；
当激光发射模块为阵列激光单元时，阵列激光单元通过平台所搭载的机器人控制步进移动；
步骤三：中央处理单元采集水下摄像机拍摄的原始图像；
步骤四：从步骤三得到的原始图像中分离出所有激光测线，对每条测线进行单独处理；
步骤五：对分离出的每条激光测线进行序列识别，包括检测激光测线是否完整未丢失和激光测线是否出现重合；
步骤六：对分离出的激光测线图像进行高斯滤波；
步骤七：自动分割阀值去除图像背景，得到激光测线最终的计算图像；
步骤八：逐行计算激光测线位置，确定行号数为i″y的激光测线位置曲线图中各个波峰的几何中心位置i″x及对应的波峰值，即未校正的激光测线位置和激光测线强度值；
步骤九：使用步骤一中标定的激光器旋转角度校正步骤八中得到的几何中心位置i″x、行号数为i"y，得到矫正后的波峰几何中心位置ix、图像像素行号iy；
步骤十：计算测量物体的三维点云，并将三维点云绘制在三维坐标上，三维点云颜色深浅由激光测线强度值决定；
或直接使用差分方法将被测量物体表面的色彩信息提取至三维点云中；
步骤十一：重复步骤二至步骤十，每得到设定帧数的图像则进行一次步骤十二；
步骤十二：进行三维数据后处理。


7.根据权利要求6所述的水下小目标动态精细检测三维成像方法，其特征在于：在所述步骤四中，分离激光测线的方法包括以...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐鹏飞，骆佳成，任子成，张月，陈茂飞，程红霞，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32