CN101102480A - 基于全方位视觉的水下视频检测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于全方位视觉的水下视频检测装置，包括视觉传感器、微处理器，视觉传感器安装在升降机构上，视觉传感器的输出连接用于传输水下视频数据的电缆，电缆连接微处理器，所述的微处理器连接显示设备，微处理器包括图像数据读取模块、图像数据文件存储模块、图像输出模块；视觉传感器为全方位视觉传感器，包括用于垂直向下的折反射镜、透明外罩、摄像单元，所述的折反射镜为双曲面镜，在双曲面镜的中心点上安装用于指明水下摄像方位的指南针；双曲面镜、双曲面镜上的指南针的轴心、摄像头、透明外罩在同一中心轴线上；微处理器还包括方位角确定模块、图像展开处理模块。本发明视野广、能够实时快速实现视频连续检测、实用性强。

Description

基于全方位视觉的水下视频检测装置

(一)技术领域

本发明属于光学技术、计算机图像处理技术在水下摄像方面的应用，属于水下环境即时获取清晰图像的设备装置，广泛适用于海洋和陆地水资源的探测，水产养殖，水下勘探，水利设施的施工与监护，水井、油井的修复，沉船打捞和油深海作业等方面。

(二)背景技术

海洋开发、水下作业、大坝水下检查、水下科学试验以及军事应用等，常常需要进行水下探测，随着现代传感器技术，特别是固体光学器件的发展，人们能够利用水下摄像机获得高清晰的视频图像。水下视频有直观、实时的临场感，而且摄像机具有体积小、分辨率高、易于操作控制等优点，近年来在水下观察、记录视频图像资料等方面得到了越来越广泛的应用。世界上一些国家在开展这方面的研究开发工作，开发出许多不同类型的水下视频摄像机。

水下摄像有其特殊性，主要是光会受水的吸收等因素影响，一般都超出了一台水下视频摄像机的可视范围，另外要找准水下物体拍摄也是一件非常难的事情。目前为了拍摄所想要获取的物体(生物)水下姿态和运动的全过程，必须采取多台摄像机进行合理布阵，才能够实现对水下物体(生物)运动过程进行连续的视频检测。

中国发明专利200410030863.X提出了一种“水下高解析度数字彩色摄像探测系统”，该发明属于实时传输数字图像的设备，该系统包括一个水下视频采集处理子系统，一个船上视频显示与记录子系统，一个铜芯同轴缆宽带传输与供电子系统，本系统实际上是一种水下可视化操作平台技术，可加载到各种水下可视化探查设备，从而提高水下设备寻址，和对设备工作的视频监控和遥控的效能，但是所采用的水下电视摄像机的可视范围非常有限。中国实用新型专利ZL94232065.4提出了一种“水下内摇头摄像机”，其结构由球壳、圆柱筒及机座三部分组成，球壳内装有镜头、电机，圆柱筒内为中心轴，下面装有电机，上面为摄像机机身，采用中心轴固定方式，由电机带动圆筒内圆盘转动，圆盘与镜头连接，镜头装在可仰俯的支架上，镜头外装有保护罩，视角范围为水平300°，仰俯为±85°，虽然通过摄像机的摇头可以获得较广阔的视角范围，但是造成了机构复杂，容易磨损等缺陷，同时也无法拍摄试验物体水下姿态和运动的全过程。中国发明专利03812924.8提出了一种“多功能电缆与使用此电缆之有视频系统的垂钓用具及水下图像视频系统”，该发明的多功能电缆包括有单内涂层的电芯线，图像信号芯线，传输声音、超声波、温度等信息或控制命令信号的一根或一根以上的控制信号芯线并在这些线的外面模压上或填充模压树脂或纤维，再在电缆的外表面覆盖耐磨层。另一方面，根据本发明的有视频系统的垂钓用具、水下图像视频系统和水下摄像部分的各装置与水外的外部装置部分都用所述多功能电缆互相连接。该发明同样也存在着水下图像视频可视范围有限的问题。

上述的技术的一个共同点都是图像视频获取采用了针孔摄像机，用于拍摄前方视角的现场图像或者是通过机械装置进行旋转来获得全景图像。

(三)发明内容

为了克服已有水下视频检测装置的可视范围有限、不容易实现连续视频检测、实用性差的不足，本发明提供一种视野广、能够实时快速实现视频连续检测、实用性强的基于全方位视觉的水下视频检测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于全方位视觉的水下视频检测装置，包括用于获取待检测水域视频的视觉传感器、用于进行图像处理的微处理器，所述的视觉传感器安装在升降机构上，所述的视觉传感器的输出连接用于传输水下视频数据的电缆，所述电缆连接微处理器，所述的微处理器连接显示设备，所述的微处理器包括：图像数据读取模块，用于读取从视觉传感器传过来的视频图像信息；图像数据文件存储模块，用于将视频图像信息通过文件方式保存在存储单元中；图像输出模块，用于将处理后的图像信息输出到显示设备；所述的视觉传感器为全方位视觉传感器，包括用于垂直向下的折反射镜、透明外罩、摄像单元，所述的折反射镜为双曲面镜，所述的折反射透镜位于透明外罩的上方，所述的摄像单元包括聚光透镜和摄像单元，所述的摄像单元位于所述双曲面镜的焦点位置；在所述双曲面镜的中心点上安装用于指明水下摄像方位的指南针；所述的双曲面镜、双曲面镜上的指南针的轴心、摄像单元、透明外罩在同一中心轴线上；所述的微处理器还包括：方位角确定模块，用于确定圆形全景图像上的方位，通过全景图像中心部分上指南针的图像与存储在微处理器中的指南针的图像的比对，两者之间旋转的角度来确定全景图像的方位；图像展开处理模块，用于将读进来的圆形视频图像并根据方位角展开为正南方向、正北方向、正东方向及正西方向的透视视频图像，通过透视投影平面的坐标点P(i，j)求空间三坐标中的A(X，Y，Z)，得到投影平面与空间三坐标的转换关系，转换关系式用公式(9)来表示：

X＝R*cosβ-i*sinβ

Y＝R*sinβ+i*cosβ

Z＝D*sinγ-j*cosγ    (9)

R＝D*cosγ+j*sinγ

上式中：X、Y、Z表示空间坐标，D为透视投影平面到双曲面的焦点O m的距离，β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴；将上述用公式(9)求得的P(X，Y，Z)点代入公式(6)和(7)求得与透视投影平面的坐标点P(i，j)相对应的在成像平面上的P(x，y)点：

$x=\frac{\mathrm{Xf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(6\right)$

$y=\frac{\mathrm{Yf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(7\right)$

上式中，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度；

所述图像数据读取模块、方位角确定模块连接所述图像展开处理模块，所述图像展开处理模块连接图像输出模块。

进一步，折反射镜面与上盖连接形成ODVS的上部单元；下套插入透明外罩中，在下套外圈上套入密封圈并用外螺帽密封固定形成ODVS的下部单元；在上盖上开一个放入密封圈的半圆型小槽，将密封圈安置在上盖的半圆型小槽内，ODVS的下部单元套入到上盖10上并用螺钉进行固定。

再进一步，所述的上盖上安装一个用于防止水下摄像单元抖动的锥形镇压物，所述锥形镇压物与所述双曲面镜在同一中心轴线上。

更进一步，所述的透明外罩呈碗状，包括半圆球和圆锥，所述半圆球的球心与双曲面的焦点重合，在半圆球的半径处与圆锥过渡。

所述的摄像单元位于双曲面镜的实焦点或者虚焦点位置。

所述电缆的一端与摄像单元进行接线连接，并通过固定盒将其密封，固定盒上开有一个与全方位视觉传感器的下套相配合的内螺纹，全方位视觉传感器的下套外螺纹上套入密封圈然后将固定盒拧入下套上，电缆的另一端跨过一个转向滑轮将全方位视觉传感器与绞盘连接起来。

所述的绞盘上安置一个计数装置。

所述的绞盘连接电动装置或手动装置。

在所述的全方位视觉传感器上安装照明光源。

所述的电缆包括图像信号芯线和电芯线，电芯线和图像信号芯线均为单内涂层。

本发明的技术构思为：作为水下视频检测装置希望得到的水域中的视频信息越丰富越好，最好是能获得检测水域中实时的全景视频信息，使得所拍摄的视频图像具有直观、实时的临场感。近年发展起来的全方位视觉传感器ODVS(OmniDirectional Vision Sensors)为实时获取水下场景的全景图像提供了一种新的解决方案。ODVS的特点是视野广(360度)，能把一个半球视野中的信息压缩成一幅图像，一幅图像的信息量更大；获取一个场景图像时，ODVS在场景中的安放位置更加自由；监视环境时ODVS不用瞄准目标；检测和跟踪监视范围内的运动物体时算法更加简单；可以获得场景的实时图像。这种ODVS摄像机主要由一个CCD摄像机和正对着摄像单元的一个反光镜组成。反光镜面将水平方向一周的图像反射给CCD摄像机成像，这样，就可以在一幅图像中获取水平方向360°的水域环境信息。这种全方位摄像机有着非常突出的优点，特别在对全景实时处理要求下，是一种快速、可靠的水下视觉信息采集途径。

这种ODVS摄像机可以在全方位拍摄到半球视野中的所有情况。能把一个半球视野中的信息压缩成一幅图像，一幅图像的信息量更大；获取一个水下场景图像时，ODVS在水下场景中的悬挂更加自由，对于本发明中可以将ODVS悬挂在水下专用电缆一端；现场人员只要一边控制布放升降机构就能通过ODVS传回不同水深处的全景实时图像，本发明中在传回的全景图像中部有一个方位信息，根据该信息可以得到不同方位的视频图像。由于全方位视觉是一种典型的机器视觉，是人不可能具备的。摄像机采集图像的原理和人眼观察物体的原理不一样，使得全方位图像与人眼看到的图像差别也很大，即使按照柱面展开，其形变还是存在的。因此如何通过全方位光学成像技术、计算机图象处理技术，以及上述技术融合到水下视频检测装置的制造技术中，为水下视频探测领域提供一种快速、可靠的监控领域大范围内视觉信息采集途径，并根据ODVS摄像机得到的实时全方位图像通过通信电缆传给水面上的显示单元或者控制单元，使得岸上或者船上的现场人员能获得检测水域中实时的水下全景视频信息。

首先是ODVS摄像装置的光学部分的制造技术方案，全方位视觉传感器包括直垂向下的折反射镜、透明圆筒体、摄像单元、固定支架，所述的折反射镜为双曲面镜，所述的摄像单元包括聚光透镜和摄像单元，所述的摄像单元位于所述双曲面镜的虚焦点位置；所述双曲面镜构成的光学系统由下面5个等式表示；

((X²+Y²)/a²)-(Z²/b²)＝-1  (Z＞0)    (1)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(2\right)$

β＝tan^-1(Y/X)    (3)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/(b²+c²)cosγ    (4)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(X^2+Y^2)}]---\left(5\right)$

上式中，X，Y，Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角-方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角-俯角，f表示成像平面到双曲面镜的需焦点的距离。

为了使得透明外罩不会产生内壁的反射干扰光，如图1所示。具体做法是将透明外罩设计成碗状，即半圆球和圆锥构成，半圆球的球心与双曲面镜的焦点重合，这样能避免在透明外罩发生反射干扰光，在半圆球部分的半径处与圆锥部分进行过渡，圆锥部分的倾斜角度为2～3°，主要是考虑在模具生产时的脱模斜度；ODVS的结构如图1所示。

来说明360全方位进行摄像的原理，空间上的一个点A(X，Y，Z)经折反射镜面反射到透镜上对应有一个投影点P(x，y)，通过透镜的光线变成平行光投射到CCD(CMOS)摄像单元，微处理器通过视频接口读入该环状图像，折反射镜面的凸出顶部配有一个指南针，在读入环状图像时也读区了指南针的图像，软件根据指南针的指向特征来分辨出环状图像上的哪个点是正南方向，然后软件根据该点的位置对该环状图像进行透视图展开得到正北视角、正东视角、正南视角以及正西视角分割的透视的视频图像，如图5所示。

为了对透视图有一个较好的理解，如附图6所示，这里我们从双曲面的实焦点Om到透视投影坐标原点G引一条距离为D的直线Om-G，与这条Om-G相垂直的平面作为透视投影平面，从点A(X，Y，Z)向着焦点Om的光线在透视投影平面上有一个交点P(X，Y，Z)，如果将该交点P(X，Y，Z)代入到公式(6)、(7)中就能容易地求的在成像平面上的P(x，y)点，因此可以通过从上述关系求得在透视投影平面上的各个点。

$x=\frac{\mathrm{Xf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(6\right)$

$y=\frac{\mathrm{Yf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(7\right)$

如图所示，双曲面镜的光轴为Z轴，摄像单元向着Z轴的正方向设置，成像平面是摄像单元的输入图像，我们将双曲面镜的光轴与成像平面的交点g作为成像平面的原点，其坐标系为x、y，x轴、y轴分别与摄像单元中的感光芯片的长短边相一致，因此Om-XYZ坐标系的X轴与成像平面坐标系的x y平面平行。

透视投影平面是与Om-G连接线相垂直的平面，将G点作为原点的二元平面坐标系i，j，其中i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴，将从透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离作为D，定义透视投影平面的横幅为W，纵幅为H。由于i轴是与XY平面平行，又是与Z轴垂直的，因此所得到的透视投影平面是以G点为坐标中心与XY平面(水平面)上旋转一个角度，该角度就是Om-G连接线与Z轴的夹角。

这里我们将Om-G作为变换中心轴，点G作为变换中心点，用β(入射光线在XY平面上的夹角-方位角)、γ(入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角)以及距离D(透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离)来表示变换中心轴，β角度在0°～360°范围内，可以由式(3)计算得到，同样也可以用式(8)来表示：

β＝tan^-1(Y/X)＝tan^-1(y/x)    (8)

这里β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，以Z轴为原点(极坐标系的原点)逆时针方向，在0°～360°范围内(这是全方位视觉的水平视场范围)；γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，由式(5)所示，该角度与空间坐标与双曲面焦点位置有关，如果在双曲面焦点上作一个水平面的话，那么就是给水平面与Om-G轴的夹角，这里将空间坐标Z点在双曲面焦点以上的作为[+]，称为仰角，Z点在双曲面焦点以下的作为[-]，称为俯角；γ角度范围在-90°～+90°之间，根据不同的镜面设计就会有不同的γ角度范围(这是全方位视觉的垂直视场范围)；

距离D根据透视投影平面与双曲面焦点的直线距离来确定，一般来说，距离D越长景物越小，距离D越短景物越大；透视投影平面的横幅W、纵幅H可以由需要来确定，在确定横幅W、纵幅H大小时首先要确定显示窗的横纵比，由于在计算机中是用像素来表示横幅W、纵幅H的大小，因此要确定横幅W、纵幅H的像素值。

通过透视投影平面的坐标点P(i，j)求空间三坐标中的A(X，Y，Z)，这样就能得到投影平面与空间三坐标的转换关系，转换关系式用公式(9)来表示：

X＝R*cosβ-i*sinβ

Y＝R*sinβ+i*cosβ

Z＝D*sinγ-j*cosγ    (9)

(R＝D*cosγ+j*sinγ)

式中：D为透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离，β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴，i轴与j轴的方向由附图6所示；

将上述用公式(9)求得的P(X，Y，Z)点代入公式(6)和(7)就能求得与透视投影平面的坐标点P(i，j)相对应的在成像平面上的P(x，y)点。这样就可以通过在成像平面上得到的图像信息求得全方位透视图，也就是说建立了成像平面上的坐标系与透视投影平面的坐标系的对应关系。有了这样的对应关系，我们就能从成像平面上得到的某个点的图像信息；通过两个坐标系的对应关系，将该点的图像信息正确地显示在透视投影平面相对应的位置上。

为了得到某一个水深水域中的正北视角、正东视角、正南视角以及正西视角分割的透视视频图像，根据需要使用者可以通过软件调节检测距离。所述的软件调节检测距离改变透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离，也就是用户在软件界面上对公式(9)中的D的参数进行选择。

所述的双曲面镜、双曲面镜上的指南针的轴心、摄像单元、透明外罩、锥型镇压物在同一中心轴线上；摄像单元的镜头安置在双曲面镜的实焦点或者虚焦点的位置上。

结合图1并参照图2、3说明ODVS的连接结构方案，装配时首先将指南针8的轴固定在折反射镜面9的最中心点上，然后将折反射镜面与上盖10进行连接形成ODVS的上部单元；接着将下套14插入透明外罩13中，然后在下套14外圈上套入密封圈15并用外螺帽16进行密封固定形成ODVS的下部单元；接着进行ODVS的上部单元和下部单元的连接，在上盖10上开有一个放入密封圈的半圆型小槽，将密封圈11安置在上盖10的半圆型小槽内，然后将ODVS的下部单元套入到上盖10上并用螺钉12进行固定，这样一个能防水密封的ODVS就装配完成，形成了ODVS的一个整体部件，如图2所示的部件2；

结合图1、图2、图3说明ODVS与水下摄像装置的连接方法，用上述方法制成的电缆4的一端与摄像单元1进行接线连接，并通过固定盒将其密封，固定盒上开有一个与下套14相配合的内螺纹，装配时在下套14外螺纹上套入密封圈然后将固定盒拧入下套14上，这样整个水下摄像装置部分就完成了密封装配任务；在实际水下拍摄使用时ODVS正好是翻转了180°，即折反射镜面朝上；电缆4的另一端跨过一个转向滑轮将水下摄像装置部分与绞盘20连接起来，电缆4的这一端将接线连接图像处理设备以及显示设备，通过绞盘20的转动来控制水下摄像装置的水深，绞盘20安装在船舶7上。

这时通过摄像单元1传回的视频图像是一个圆形的全景图像，微处理器读取该视频图像后，软件首先去找指南针所指的方向，经过比对发现在140°的角度处正好能匹配上，那么就表明在目前传回来的全景图像要旋转140°的角度才是正南方向；软件根据这个信息就去选择公式(9)中的β角度的范围，对显示正南方向的透视图像，在软件中将β角度的范围选择在80°～200°，这里考虑了人的视角特点，将某一个方向上的透视图像的宽度范围定制成120°，正北方向、正东方向及正西方向的透视图像类同，如图5所示。

对于比较中、大型的水下摄像机可以采用升降机构用来布放和回收水下灯具及水下摄像机，通过控制升降机构的电动机来调整灯具和摄像机在水中的深度，以便获得最佳水下摄像视场角。升降机构主要由水下部分和水上的绞车两部分组成。水下部分包括固定着水下摄像机和照明灯等的固定架。水上部分包括电机、绞盘、转向滑轮等。绞盘连接在电机的转轴上，钢缆(电缆)跨过一个转向滑轮将升降架与绞盘连接起来，这样通过转动绞盘，就可实现升降机构的升与降，使摄像机定位在精确位置。

对于小型的水下摄像机可以采用手动的升降机构用来布放和回收水下摄像机，水下摄像机通过电缆跨过一个转向滑轮将升降架与绞盘连接起来，这样通过手动转动绞盘，就可实现升降机构的升与降，使摄像机定位在精确位置。

所述的电缆中包括了图像信号芯线以及电芯线；电芯线和图像信号芯线均为单内涂层；这些线的外面模压或填充柔软而耐用的模压树脂或纤维，电缆的外表面履盖耐磨材料层。把镀锡铜线用作电芯线；把聚乙烯或聚丙烯用作电芯线的内涂层的材料；把镀银铜线用作图像信号芯线和控制信号芯线的内线；把镀锡铜线用作图像信号芯线和控制信号芯线的外线；把特氛隆用作图像信号芯线和控制信号芯线的内涂层的材料；把凯夫拉纤维或碳树脂用作模压树脂；把聚乙烯或聚丙烯用作耐磨外涂层的材料。

对于宽水域的水下视频检测需要有水下照明灯作为照明光源，以保证在水下摄像范围内提供足够的照明强度，从而保证了水下视频图像的质量，可选用卤钨灯作为光源。水下灯具可由不锈钢水密防护壳体、石英玻璃水密光窗、漏电保护装置等组成。这种水下灯具具有寿命长、工作可靠、性能稳定等特点，可以长时间连续工作。

为了使水下摄像机具有较好的稳定性以保证能获得高质量的视频图像，本发明中在水下摄像机下面配置了锥型镇压物，锥型镇压物的作用是保证水下摄像机垂直向下并在水中保持稳定。

所述的锥型镇压物(图2中的3所示)是与ODVS上盖上的螺纹进行连接的，锥型镇压物2设计成圆锥体，圆锥体的重量可以根据检测水域的水流等情况进行选择，目的是要保证在采集全景图像时ODVS不晃动，提高视频图像的品质。

本发明的有益效果主要表现在：1、能够获取水平方向360°的水域环境信息，视野广；2、能够实时快速实现视频连续检测；3、实用性强；4、获取实时不变形的透视和全景图像，能够获取指定水下深度，标有方位。

(四)附图说明

图1为全方位视觉传感器的结构图。

图2为一种基于全方位视觉的水下视频检测装置原理图。

图3为折反射镜面上安置指南针的示意图。

图4为全方位视觉传感器的成像原理图。

图5为将全景图展开分割成正北视角、正东视角、正南视角以及正西视角的透视视频图像示意图。

图6为透视图平面与成像平面的关联图。

图7是带有照明光源的水下视频检测装置的示意图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图1～图6，一种基于全方位视觉的水下视频检测装置，包括用于获取待检测水域视频的视觉传感器2、用于进行图像处理的微处理器6，所述的视觉传感器安装在升降机构上，所述的视觉传感器2的输出连接用于传输水下视频数据的电缆4，所述电缆4连接微处理器6，所述的微处理器6连接显示设备，所述的微处理器6包括：图像数据读取模块，用于读取从视觉传感器传过来的视频图像信息；图像数据文件存储模块，用于将视频图像信息通过文件方式保存在存储单元中；图像输出模块，用于将处理后的图像信息输出到显示设备；所述的视觉传感器2为全方位视觉传感器，包括用于垂直向下的折反射镜9、透明外罩13、摄像单元1，所述的折反射镜9为双曲面镜，所述的折反射透镜9位于透明外罩13的上方，所述的摄像单元1包括聚光透镜和摄像单元，所述的摄像单元位于所述双曲面镜的焦点位置；在所述双曲面镜的中心点上安装用于指明水下摄像方位的指南针8；所述的双曲面镜、双曲面镜上的指南针的轴心、摄像单元、透明外罩在同一中心轴线上；所述的微处理6器还包括：方位角确定模块，用于确定圆形全景图像上的方位，通过全景图像中心部分上指南针的图像与存储在微处理器中的指南针的图像的比对，两者之间旋转的角度来确定全景图像的方位；图像展开处理模块，用于将读进来的圆形视频图像并根据方位角展开为正南方向、正北方向、正东方向及正西方向的透视视频图像，通过透视投影平面的坐标点P(i，j)求空间三坐标中的A(X，Y，Z)，得到投影平面与空间三坐标的转换关系，转换关系式用公式(9)来表示：

X＝R*cosβ-i*sinβ

Y＝R*sinβ+i*cosβ

Z＝D*sinγ-j*cosγ    (9)

R＝D*cosγ+j*sinγ

上式中：X、Y、Z表示空间坐标，D为透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离，β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴；

将上述用公式(9)求得的P(X，Y，Z)点代入公式(6)和(7)求得与透视投影平面的坐标点P(i，j)相对应的在成像平面上的P(x，y)点：

$x=\frac{\mathrm{Xf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(6\right)$

$y=\frac{\mathrm{Yf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(7\right)$

上式中，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度；

所述图像数据读取模块、方位角确定模块连接所述图像展开处理模块，所述图像展开处理模块连接图像输出模块。

本实施例的水下视频检测装置主要实现三个功能，第一是实时获取某个深度水域中的全方位图像；第二是将水下摄像部分所拍摄的全方位图像以电缆的方式传输水面上的记录存储部分；第三是从记录存储部分获取全方位图像进行各种图像处理，最终以标有水下深度、方位等信息的水下全景信息提供给使用者。

所述的实时获取水域中的全方位图像是通过全方位视觉传感器来实现的，因此首先是全方位视觉传感器(ODVS摄像装置)的光学部分的制造技术方案，全方位视觉传感器包括垂直向下的折反射镜、透明圆筒体、摄像单元、固定支架，所述的折反射镜为双曲面镜，所述的摄像单元包括聚光透镜和摄像单元，所述的摄像单元位于所述双曲面镜的虚焦点位置；所述双曲面镜构成的光学系统由下面5个等式表示；

((X²+Y²)/a²)-(Z²/b²)＝-1  (Z＞0)    (1)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(2\right)$

β＝tan^-1(Y/X)    (3)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/(b²+c²)cosγ    (4)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(X^2+Y^2)}]---\left(5\right)$

上式中，X，Y，Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角-方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角-俯角，f表示成像平面到双曲面镜的需焦点的距离。

为了使得透明外罩13不会产生内壁的反射干扰光，本发明的做法是将透明外罩设计成碗状，即半圆球和圆锥构成，半圆球的球心与双曲面镜的焦点重合，这样能避免在透明外罩13发生反射干扰光，在半圆球部分的半径处与圆锥部分进行过渡，圆锥部分的倾斜角度为2～3°，主要是考虑在模具生产时的脱模斜度；ODVS的结构如图1所示；

来说明360°全方位进行摄像的原理，空间上的一个点A(X，Y，Z)经折反射镜面9反射到透镜上对应有一个投影点P(x，y)，通过透镜的光线变成平行光投射到CCD(CMOS)摄像单元，微处理器通过视频接口读入该环状图像，采用软件对该环状图像进行透视图展开得到按照现场工作人员行进方向为基准的前方视角、后方视角、左方视角以及右方视角分割的透视的视频图像，如图7所示。

为了对透视图有一个较好的理解，如附图8所示，这里我们从双曲面的实焦点Om到透视投影坐标原点G引一条距离为D的直线Om-G，与这条Om-G相垂直的平面作为透视投影平面，从点A(X，Y，Z)向着焦点Om的光线在透视投影平面上有一个交点P(X，Y，Z)，如果将该交点P(X，Y，Z)代入到公式(6)、(7)中就能容易地求的在成像平面上的P(x，y)点，因此可以通过从上述关系求得在透视投影平面上的各个点。

$x=\frac{\mathrm{Xf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(6\right)$

$y=\frac{\mathrm{Yf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(7\right)$

如图所示，双曲面镜的光轴为Z轴，摄像单元向着Z轴的正方向设置，成像平面是摄像单元的输入图像，我们将双曲面镜的光轴与成像平面的交点g作为成像平面的原点，其坐标系为x、y，x轴、y轴分别与摄像单元中的感光芯片的长短边相一致，因此Om-XYZ坐标系的X轴与成像平面坐标系的x y平面平行。

透视投影平面是与Om-G连接线相垂直的平面，将G点作为原点的二元平面坐标系i，j，其中i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴，将从透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离作为D，定义透视投影平面的横幅为W，纵幅为H。由于i轴是与XY平面平行，又是与Z轴垂直的，因此所得到的透视投影平面是以G点为坐标中心与XY平面(水平面)上旋转一个角度，该角度就是Om-G连接线与Z轴的夹角。

这里我们将Om-G作为变换中心轴，点G作为变换中心点，用β(入射光线在XY平面上的夹角-方位角)、γ(入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角)以及距离D(透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离)来表示变换中心轴，β角度在0°～360°范围内，可以由式(3)计算得到，同样也可以用式(8)来表示：

β＝tan^-1(Y/X)＝tan^-1(y/x)    (8)

这里β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，以Z轴为原点(极坐标系的原点)逆时针方向，在0°～360°范围内(这是全方位视觉的水平视场范围)；γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，由式(5)所示，该角度与空间坐标与双曲面焦点位置有关，如果在双曲面焦点上作一个水平面的话，那么就是给水平面与Om-G轴的夹角，这里将空间坐标Z点在双曲面焦点以上的作为[+]，称为仰角，Z点在双曲面焦点以下的作为[-]，称为俯角；γ角度范围在-90°～+90°之间，根据不同的镜面设计就会有不同的γ角度范围(这是全方位视觉的垂直视场范围)；

距离D根据透视投影平面与双曲面焦点的直线距离来确定，一般来说，距离D越长景物越小，距离D越短景物越大；透视投影平面的横幅W、纵幅H可以由需要来确定，在确定横幅W、纵幅H大小时首先要确定显示窗的横纵比，由于在计算机中是用像素来表示横幅W、纵幅H的大小，因此要确定横幅W、纵幅H的像素值。

通过透视投影平面的坐标点P(i，j)求空间三坐标中的A(X，Y，Z)，这样就能得到投影平面与空间三坐标的转换关系，转换关系式用公式(9)来表示：

X＝R*cosβ-i*sinβ

Y＝R*sinβ+i*cosβ    (9)

Z＝D*sinγ-j*cosγ

(R＝D*cosγ+j*sinγ)

式中：D为透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离，β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和Om-G轴直角相交的纵轴，i轴与j轴的方向由附图6所示；

将上述用公式(9)求得的P(X，Y，Z)点代入公式(6)和(7)就能求得与透视投影平面的坐标点P(i，j)相对应的在成像平面上的P(x，y)点。这样就可以通过在成像平面上得到的图像信息求得全方位透视图，也就是说建立了成像平面上的坐标系与透视投影平面的坐标系的对应关系。有了这样的对应关系，我们就能从成像平面上得到的某个点的图像信息；通过两个坐标系的对应关系，将该点的图像信息正确地显示在透视投影平面相对应的位置上。

为了得到某一个水深水域中的正北视角、正东视角、正南视角以及正西视角分割的透视视频图像，根据需要使用者可以通过软件调节检测距离。所述的软件调节检测距离改变透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离，也就是用户在软件界面上对公式(9)中的D的参数进行选择。

所述的双曲面镜、双曲面镜上的指南针的轴心、摄像单元、透明外罩、锥型镇压物在同一中心轴线上；摄像单元的镜头安置在双曲面镜的实焦点或者虚焦点的位置上。

结合图1并参照图2、3说明ODVS的连接结构方案，装配时首先将指南针8的轴固定在折反射镜面9的最中心点上，然后将折反射镜面与上盖10进行连接形成ODVS的上部单元；接着将下套14插入透明外罩13中，然后在下套14外圈上套入密封圈15并用外螺帽16进行密封固定形成ODVS的下部单元；接着进行ODVS的上部单元和下部单元的连接，在上盖10上开有一个放入密封圈的半圆型小槽，将密封圈11安置在上盖10的半圆型小槽内，然后将ODVS的下部单元套入到上盖10上并用螺钉12进行固定，这样一个能防水密封的ODVS就装配完成，形成了ODVS的一个整体部件，如图2所示的部件2；

结合图1、图2、图3说明ODVS与水下摄像装置的连接方法，用上述方法制成的电缆4的一端与摄像单元1进行接线连接，并通过固定盒将其密封，固定盒上开有一个与下套14相配合的内螺纹，装配时在下套14外螺纹上套入密封圈然后将固定盒拧入下套14上，这样整个水下摄像装置部分就完成了密封装配任务；在实际水下拍摄使用时ODVS正好是翻转了180°，即折反射镜面朝上；电缆4的另一端跨过一个转向滑轮将水下摄像装置部分与绞盘20连接起来，电缆4的这一端将接线连接图像处理设备以及显示设备，通过绞盘20的转动来控制水下摄像装置的水深。

通过摄像单元1传回的视频图像是一个圆形的全景图像，如图5所示，微处理器读取该视频图像后，软件首先去找指南针所指的方向，经过比对发现在140°的角度处正好能匹配上，那么就表明在目前传回来的全景图像要旋转140°的角度才是正南方向；软件根据这个信息就去选择公式(9)中的β角度的范围，对显示正南方向的透视图像，在软件中将β角度的范围选择在80°～200°，这里考虑了人的视角特点，将某一个方向上的透视图像的宽度范围定制成120°，正北方向、正东方向及正西方向的透视图像类同，如图5所示。

对于小型的水下摄像机可以采用手动的升降机构用来布放和回收水下摄像机，水下摄像机通过电缆跨过一个转向滑轮将升降架与绞盘连接起来，这样通过手动转动绞盘，就可实现升降机构的升与降，使摄像机定位在精确位置。

所述的手动转动绞盘，在绞盘上安置一个计数装置，该计数装置的作用是让使用者知道目前已布放电缆的长度，以便能使获取的水下全景视频图像时附加一个水深信息；

所述的电缆中包括了图像信号芯线以及电芯线；电芯线和图像信号芯线均为单内涂层；这些线的外面模压或填充柔软而耐用的模压树脂或纤维，电缆的外表面履盖耐磨材料层。把镀锡铜线用作电芯线；把聚乙烯或聚丙烯用作电芯线的内涂层的材料；把镀银铜线用作图像信号芯线和控制信号芯线的内线；把镀锡铜线用作图像信号芯线和控制信号芯线的外线；把特氛隆用作图像信号芯线和控制信号芯线的内涂层的材料；把凯夫拉纤维或碳树脂用作模压树脂；把聚乙烯或聚丙烯用作耐磨外涂层的材料。

为了使水下摄像机具有较好的稳定性以保证能获得高质量的视频图像，本发明中在水下摄像机下面配置了锥型镇压物，锥型镇压物的作用是保证水下摄像机垂直向下并在水中保持稳定。

所述的锥型镇压物(图2中的3所示)是与ODVS上盖上的螺纹进行连接的，锥型镇压物2设计成圆锥体，圆锥体的重量可以根据检测水域的水流等情况进行选择，目的是要保证在采集全景图像时ODVS不晃动，提高视频图像的品质。

实施例2

参照图7，本实施例的其余结构特征与实施例1相同，本实施例针对宽水域的水下视频检测，需要有水下照明灯作为照明光源，以保证在水下摄像范围内提供足够的照明强度，从而保证了水下视频图像的质量，可选用卤钨灯作为光源。水下灯具可由不锈钢水密防护壳体、石英玻璃水密光窗、漏电保护装置等组成。这种水下灯具具有寿命长、工作可靠、性能稳定等特点，可以长时间连续工作。灯具19可均匀配置在锥型镇压物与ODVS上盖之间周边，照明灯向外倾斜一个角度，使得ODVS视场内有足够的照明强度，从而保证了水下视频图像的质量。如图7所示。

实施例3

参照图1～图6，其余技术方案与实施例1相同，对于比较中、大型的水下摄像机可以采用升降机构用来布放和回收水下灯具及水下摄像机，通过控制升降机构的电动机来调整灯具和摄像机在水中的深度，以便获得最佳水下摄像视场角。升降机构主要由水下部分和水上的绞车两部分组成。水下部分包括固定着水下摄像机和照明灯等的固定架。水上部分包括电机、绞盘、转向滑轮等。绞盘连接在电机的转轴上，钢缆(电缆)跨过一个转向滑轮将升降架与绞盘连接起来，这样通过转动绞盘，就可实现升降机构的升与降，使摄像机定位在精确位置。

Claims (10)

1、一种基于全方位视觉的水下视频检测装置，包括用于获取待检测水域视频的视觉传感器、用于进行图像处理的微处理器，所述的视觉传感器安装在升降机构上，所述的视觉传感器的输出连接用于传输水下视频数据的电缆，所述电缆连接微处理器，所述的微处理器连接显示设备，所述的微处理器包括：

图像数据读取模块，用于读取从视觉传感器传过来的视频图像信息；

图像数据文件存储模块，用于将视频图像信息通过文件方式保存在存储单元中；

图像输出模块，用于将处理后的图像信息输出到显示设备；

其特征在于：

所述的视觉传感器为全方位视觉传感器，包括用于垂直向下的折反射镜、透明外罩、摄像单元，所述的折反射镜为双曲面镜，所述的折反射透镜位于透明外罩的上方，所述的摄像头包括聚光透镜和摄像单元，所述的摄像单元位于所述双曲面镜的焦点位置；

在所述双曲面镜的中心点上安装用于指明水下摄像方位的指南针；

所述的双曲面镜、双曲面镜上的指南针的轴心、摄像单元、透明外罩在同一中心轴线上；

所述的微处理器还包括：

方位角确定模块，用于确定圆形全景图像上的方位，通过全景图像中心部分上指南针的图像与存储在微处理器中的指南针的图像的比对，两者之间旋转的角度来确定全景图像的方位；

图像展开处理模块，用于将读进来的圆形视频图像并根据方位角展开为正南方向、正北方向、正东方向及正西方向的透视视频图像，通过透视投影平面的坐标点P(i，j)求空间三坐标中的A(X，Y，Z)，得到投影平面与空间三坐标的转换关系，转换关系式用公式(9)来表示：

X＝R*cosβ-i*sinβ

Y＝R*sinβ+i*cosβ

Z＝D*sinγ-j*cosγ    (9)

R＝D*cosγ+j*sinγ

上式中：X、Y、Z表示空间坐标，D为透视投影平面到双曲面的焦点Om的距离，β角度是入射光线在XY平面上投影的夹角，γ角度是入射光线与双曲面焦点的水平面的夹角，i轴是与XY平面平行的横轴，j轴是与i轴和O m-G轴直角相交的纵轴；

将上述用公式(9)求得的P(X，Y，Z)点代入公式(6)和(7)求得与透视投影平面的坐标点P(i，j)相对应的在成像平面上的P(x，y)点：

$x=\frac{\mathrm{Xf}(b^2-c^2)}{\left(b^2+c^2\right)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(6\right)$

$y=\frac{\mathrm{Yf}(b^2-c^2)}{(b^2+c^2)Z-2\mathrm{bc}\sqrt{X^2+Y^2+Z^2}}---\left(7\right)$

上式中，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度；

所述图像数据读取模块、方位角确定模块连接所述图像展开处理模块，所述图像展开处理模块连接图像输出模块。

2、如权利要求1所述的基于全方位视觉的水下视频检测装置，其特征在于：折反射镜面与上盖连接形成ODVS的上部单元；下套插入透明外罩中，在下套外圈上套入密封圈并用外螺帽密封固定形成ODVS的下部单元；在上盖上开一个放入密封圈的半圆型小槽，将密封圈安置在上盖的半圆型小槽内，ODVS的下部单元套入到上盖10上并用螺钉进行固定。

3、如权利要求1或2所述的基于全方位视觉的水下视频检测装置，其特征在于：所述的上盖上安装一个用于防止水下摄像单元抖动的锥形镇压物，所述锥形镇压物与所述双曲面镜在同一中心轴线上。

4、如权利要求3所述的基于全方位视觉的水下视频检测装置，其特征在于：所述的透明外罩呈碗状，包括半圆球和圆锥，所述半圆球的球心与双曲面的焦点重合，在半圆球的半径处与圆锥过渡。

5、如权利要求4所述的基于全方位视觉的水下视频检测装置，其特征在于：所述的摄像单元位于双曲面镜的实焦点或者虚焦点位置。

6、如权利要求2所述的基于全方位视觉的水下视频检测装置，其特征在于：所述电缆的一端与摄像单元进行接线连接，并通过固定盒将其密封，固定盒上开有一个与全方位视觉传感器的下套相配合的内螺纹，全方位视觉传感器的下套外螺纹上套入密封圈然后将固定盒拧入下套上，电缆的另一端跨过一个转向滑轮将全方位视觉传感器与绞盘连接起来。

7、如权利要求6所述的基于全方位视觉的水下视频检测装置，其特征在于：所述的绞盘上安置一个计数装置。

8、如权利要求7所述的基于全方位视觉的水下视频检测装置，其特征在于：所述的绞盘连接电动装置或手动装置。

9、如权利要求5所述的基于全方位视觉的水下视频检测装置，其特征在于：在所述的全方位视觉传感器上安装照明光源。

10、如权利要求5所述的基于全方位视觉的水下视频检测装置，其特征在于：所述的电缆包括图像信号芯线和电芯线，电芯线和图像信号芯线均为单内涂层。

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