CN101776452A - 基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置，包括GPS传感器、声纳传感器、具有固定单一视点的全方位视觉传感器、具有固定单一发射中心点的全景彩色体结构光发生器以及用于对河道宽度进行三维立体摄像测量、河道地图数据获取、与河道深度数据融合的微处理器，所述全方位视觉传感器的视点与所述全景彩色体结构光发生器的发射中心点配置在同一根轴心线上；所述的全方位视觉传感器、全景彩色体结构光发生器、GPS传感器和声纳传感器均固定在同一立杆延长线上。本发明提供一种能够快速完成测量、实时性好、实用性强、鲁棒性高。

Description

基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置

技术领域

本发明涉及半导体激光器、全方位视觉、GPS以及计算机视觉技术在河道宽度实时测量方面的应用，属于数字摄像测量技术。

背景技术

河道测量工作是一项长期而重要的基础工作。目前，在河道的测量手段还相对落后，存在着测量劳动强度大、效率低、测量速度慢、精度低等问题，不能满足当前河道开发治理、防洪决策的需要。迫切需要采用新技术新方法和采用先进的仪器设备。近年来在河道的深度实时测量已有所突破，在测量船上安置一个GPS系统和声纳水深探测器，通过测量船的航行实时得到船舶的位置以及在该位置情况下的水深；但是仅仅获得水深信息对河道截面测量来说还是不够的，河道截面测量需要河道的深度信息、位置信息以及宽度信息，通过这些信息组合加工才能完成河道的实时截面测量。

GPS(全球定位系统)是继子午卫星导航系统之后，美国政府推出的第二代卫星定位系统。运用GPS进行高精度动态测量已成为国内外的一个重要研究方向。这方面的应用主要有：无地面控制的空中三角测量、航空重力测量、用活动的地面车辆绘制重力向量图、海上三维地震测量和高精度海洋测量。为了提高GPS测量的精度，动态差分定位愈来愈引起人们的重视。动态差分要比坐标差分严密且效果更好。GPS差分的高精度潜能还在于载波相位的应用，相位与伪距相结合的差分方法能够达到0.5-1m的精度。这样的定位精度已经基本上满足了测量船舶的定位要求。

目前市场上的水深测量设备采用Odom公司的EchotracDF3200 MKII精密双频声纳测深仪，GPS定位采用徕卡S530，并配置相应的测量软件；在测量船中部船舷架设测深仪器换能器探头，将测量仪与GPS等其它测量设备与笔记本电脑相连接，打开水深测量软件，设置好相应的连接参数，就能进行在线的河道水深测量。

对于河道的宽度实时测量，采用数字摄像测量技术是一个发展趋势。其核心就是采用基于计算机视觉的双目立体视觉三维测量与立体重构技术对河道边缘处进行深度测量；类似生物的两眼，从两眼(两个视点)来观察同一河道边缘点，获取河道边缘点的深度信息，依此估算出河道的宽度；计算机立体视觉测量是以获取在不同视角下的感知图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差、即视差，来获取景物的三维信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的。

立体视觉测量中的关键是要实现同一被测物体在不同角度观测的立体匹配，所谓的立体匹配是指根据对所选特征的计算，建立特征之间的对应关系，将同一个空间物理点在不同图像中的映像点对应起来。立体匹配是立体视觉中最重要也是最困难的问题。当空间三维场景被投影为二维图像时，同一景物在不同视点下的图像会有很大不同，而且场景中的诸多因素，如光照条件，景物几何形状和物理特性、噪声干扰和畸变以及摄像机特性等，都被综合成单一的图像中的灰度值。因此，要准确地对包含了如此之多不利因素的图像进行无歧义的匹配，显然是十分困难的，至今这个问题还没有得到很好的解决。立体匹配的有效性有赖于三个问题的解决，即：选择正确的匹配特征，寻找特征间的本质属性及建立能正确匹配所选择特征的稳定算法。

立体视觉测量是模仿人类利用双目线索感知距离的方法，实现对三维信息的感知，在实现上采用三角测量的方法，运用两个摄像机对同一物点从不同位置成像，并进而从视差中计算出距离。但是目前立体视觉的技术还无法达到全方位的实时感知，在摄像机标定、特征提取和立体图像匹配方面还没有得到很好的解决。

目前双目立体视觉测量系统的一个局限性是焦距固定，由于一个固定的焦距只能在一定景深范围内清晰拍摄图像，因而限制了测试区域；标定技术还没有很好解决，立体视觉测量系统在各种运动中变化参数是不可避免的，比如运输过程中的震动、工作冲击等的影响，而实际中又不可能总是放几张棋盘在“眼前”进行标定，因而限制了许多应用；双目立体视觉测量系统还没有实现小型化、微型化，使得在机器人、航模等领域的应用受到限制；计算量大，难以进行实时处理，因而限制了实时目标辨识等应用；双目视觉的对应点匹配歧异性大，造成了匹配的误差，影响了匹配精度。目前三维立体视觉测量技术中最大难题是被动式的立体摄像测量中普遍存在的计算机资源消耗大、实时性能差、实用性不强、鲁棒性不高。通常解决该问题的一种有效的方法是采用结构光主动视觉技术，如点结构光、线结构光扫描法以及编码结构光法等。

近年发展起来的全方位视觉传感器全方位视觉传感器(OmniDirectionalVisionSensors)为实时获取场景的全景图像提供了一种新的解决方案。全方位视觉传感器的特点是视野广(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，全方位视觉传感器在场景中的安放位置更加自由，可以获得以测量船为中心的河道场景的实时图像。

中国发明专利申请号为02158343.9公开了一种基于主动视觉的物体三维模型快速获取方法，标定投影设备所投出的各光栅平面在参考坐标系下的光平面方程以及参考坐标系到照相机的投影变换矩阵；将物体放在系统前方，分别拍摄一幅带有光栅的物体图像和一幅只带有纹理的物体图像；将拍摄的图像输入计算机；通过自动或人机交互方式从输入图像中提取出投影在物体上的光栅的边缘并进行聚类；将提取出的每一个边缘点反投影到空间中所对应的光平面方程上，由此求出物体上所有光栅边缘点在参考坐标系下的三维坐标，得到物体的可见表面的三维模型；对所提取的物体表面上的三维点进行三角分解，并将带有纹理的物体图像的纹理信息映射到所获取的三维模型上；将物体旋转一定角度，重复以上步骤，获得物体不同侧面的三维模型，并通过数据融合获得完整的物体三维模型。这项技术存在着摄像区域受限，仍需使用精密标定装置事先标定有关参数，而且它们只能适用于特定的场合，要做到在线实时标定或不标定重构三维场景，难度很大，有时甚至不可能。主动式全方位视觉需要有一种全景的彩色体结构光技术支持才能实现快速立体视觉测量。

将半导体激光器作为主动式立体全方位视觉传感器中的主动光源是一种理想的选择；半导体激光器是利用半导体晶体材料产生激光的器件，它和其他激光器一样，具有相干性好、方向性强、发散角小、亮度高等特点，并且还有着体积小、效率高、调制方便、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、其应用领域非常广泛。如工业探测、测试测量仪器、军事、安防、野外探测、建筑类扫平及标线类仪器等。半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于主动视觉上的应用，由于可用普通电池驱动，使主动式立体全方位视觉传感器中配置成为可能。

目前半导体激光器作为主动式视觉测量已有应用，附图8所示的是半导体激光器作为点光源进行视觉测量的原理图；附图9所示的是半导体激光器作为线光源进行视觉测量的原理图；附图10所示的是半导体激光器作为面光源进行视觉测量的原理图；这些主动式视觉测量方法存在着测量范围小、没有固定的投射中心点，要实现实时在线的立体测量以及三维立体重构仍然存在着很大的困难，而且无法实现主动全景视觉测量。

发明内容

为了克服已有的河道测量工作劳动强度大、效率低、测量速度慢、精度低等不足，本发明提供一种能够快速完成测量、实时性好、实用性强、鲁棒性高的基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置，包括GPS传感器、声纳传感器、具有固定单一视点的全方位视觉传感器、具有固定单一发射中心点的全景彩色体结构光发生器以及用于对河道宽度进行三维立体摄像测量、河道地图数据获取、与河道深度数据融合的微处理器，所述全方位视觉传感器的视点与所述全景彩色体结构光发生器的发射中心点配置在同一根轴心线上；所述的全方位视觉传感器、全景彩色体结构光发生器、GPS传感器和声纳传感器均固定在同一立杆延长线上；

所述全方位视觉传感器包括双曲面镜面、上盖、透明半圆形外罩、下固定座、摄像单元固定座、摄像单元、连接单元和上罩；所述的双曲面镜面固定在所述的上盖上，所述的连接单元将所述的下固定座和透明半圆形外罩连接成一体，所述的透明半圆形外罩与所述的上盖以及所述的上罩固定在一起，所述的摄像单元固定在所述的摄像单元固定座上，所述的摄像单元固定座固定在所述的下固定座上，所述的摄像单元的输出与所述微处理器连接；所述的摄像单元是宽动态CMOS成像器件；

所述的全景彩色体结构光发生器包括圆形面体基板和3组具有不同发光中心波长的激光二极管，所述的激光二极管固定在所述的圆形面体基板上，所述的圆形面体基板为内部圆型中空、上下圆柱形中空的圆形面体，所述的圆形面体基板的外圆形面上从零纬度开始以相隔相同角度均匀等分排列着与激光二极管的外直径相等的小孔，在同一纬度线上同时配置了三颗具有相同发光中心波长的激光二极管；所述的3组具有不同发光中心波长的激光二极管依次从在所述的圆形面体基板上的零纬度值到最大俯角按顺序插入到小孔内，每个激光二极管的发射光方向与所插入相应小孔的法线方向重合；

所述的全景彩色体结构光发生器和所述的全方位视觉传感器连接，全景彩色体结构光发生器上的圆形面体基板平面正对着测量船的航行方向，所述的全景彩色体结构光发生器的发射中心Op和所述的全方位视觉传感器的视点Ov在同一轴心线上，当供电电源给全景彩色体结构光发生器供电时，所述的全景彩色体结构光发生器从测量船的两侧发出扇形面全景彩色体结构光，所有光的发光中心点在全景彩色体结构光发生器的圆形面体的中心点上；

所述微处理器包括：

LD光源控制单元，用于控制全景彩色体结构光发生器发出全彩色全景结构光，在LD光源控制单元使全景彩色体结构光发生器的供电电源处于ON状态时，在全方位视觉传感器的成像单元中直接获得空间某物点的深度和方位角度信息；实际LD光源的供电电源开关控制采用如附图11所示的激光二极管控制电子回路来实现，当用软件接通电子开关K1～K8中的任何一个开关，激光二极管就会发光；反之将电子开关断开，激光二极管就不发光；

视频图像加工模块，用于在获取的全景视频图像上添加测量船的位置信息和该位置上的水深信息，以便后续人机交互、修正河道自动视频测量中的错检与漏检；

河道宽度计算模块，用于计算河道边缘上的点到基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置的中心点的距离及入射角，分别计算河道两侧边缘点与全方位视觉传感器的实焦点Om的距离RL1、RR1，河道两侧边缘点与测量船立杆中心点的距离BL、BR；其输出与河道截面图自动生成模块连接；

河道截面图自动生成模块，用于根据得到的河道两侧边缘点与全方位视觉传感器的实焦点Om的距离RL1、RR1，河道两侧边缘点与测量船立杆中心点的距离BL、BR以及河道深度信息生成河道截面图，河道深度信息从声纳传感器获得。

进一步，所述的激光二极管的投射角设计为0°～16°范围内，所述的3组具有不同发光中心波长的激光二极管依次从在所述的圆形面体基板上的零纬度值到最大俯角16°按顺序插入到相应的小孔内。

再进一步，所述的双曲面镜面构成的光学系统由下面5个等式表示；

((X²+Y²)/a²)-((Z-c)²/b²)＝-1当Z＞0时    (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)

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

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投影平面上与X轴的夹角，即方位角，α表示入射光线在XZ投影平面上与X轴的夹角，这里将α称为入射角，α大于或等于0时称为俯角，将α小于0时称为仰角，f表示成像平面到双曲面镜的虚焦点的距离，γ表示折反射光线与Z轴的夹角；x，y表示在成像平面上的一个点，在所述的双曲面镜面设计时将垂直方向的可视范围限制在俯角80°到20°范围内。

更进一步，所述河道宽度计算模块包括：

左侧投射角α_PL和右侧投射角α_PR计算单元，用于利用彩色全景投影的投射角αp与彩色全景投影中某个激光半导体LD所发射出的光波长之间具有一定的函数关系来计算的，当全景彩色体结构光发生器的供电电源处于ON状态时，成像平面上的像素的色彩分量与投射角αp存在一一对应关系，利用所述对应关系来得到左侧投射角α_PL和右侧投射角α_PR；

左侧入射角α_OL和右侧入射角α_OR计算单元，用于利用全方位视觉传感器的入射角α_OL、α_OR与折反射角γ_OL、γ_OR之间存在着公式(9)所示的函数关系，

α_OL＝tan^-1[(b²+c²)sinγ_OL-2bc]/(b²+c²)cosγ_OL    (9)

α_OR＝tan^-1[(b²+c²)sinγ_OR-2bc]/(b²+c²)cosγ_OR

折反射角γ_OL、γ_OR与成像平面上的河道左右侧边缘点L(x1，y1)、R(x2，y2)存在着公式(10)所示的函数关系，

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{OL}}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{({x1}^2+{y1}^2)}]---\left(10\right)$

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{OR}}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{({x2}^2+{y2}^2)}]$

通过公式(9)和(10)可得到成像平面上的河道左右侧边缘点L(x1，y1)、R(x2，y2)与左侧入射角α_OL和右侧入射角α_OR之间的函数关系；从左侧投射角α_PL、右侧投射角α_PR、左侧入射角α_OL和右侧入射角α_OR这些信息来确定河道左右侧边缘点Lp、Rp。

所述河道宽度计算模块还包括：左侧距离BL和右侧距离BR计算单元，用于测量船的中心点位置，由GPS定位系统来确定，利用正弦和余弦定理来计算所述的左侧距离BL和右侧距离BR，公式(11)～(12)分别计算成像平面上的河道左右侧边缘点与全方位视觉传感器的实焦点Ov的距离R_L1、R_R1，然后根据R_L1R_R1以及α_OL、α_OR计算测量船中心点到河道边缘的左侧距离B_L和到河道边缘的右侧距离B_R，

$B_{L(x,y)}=\sqrt{{R_{L1}}^2+H^2+2\×R_{L1}\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}}\right)}$

$=\sqrt{{\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}})}\right]}^2+H^2+2\×\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}})}\right]\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}}\right)}$ (11)

$B_{R(x,y)}=\sqrt{{R_{R1}}^2+H^2+2\×R_{R1}\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}}\right)}$

$=\sqrt{{\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}})}\right]}^2+H^2+2\×\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}})}\right]\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}}\right)}$

B_(x，y)＝B_L(x，y)+B_R(x，y)          (12)

式中：B为基线距，即投影光源中心点Op与全方位视觉传感器的实焦点Ov之间的距离，H为测量船的立杆上的全方位视觉传感器的实焦点Ov与立杆和水平面相交点之间的距离，α_OL为河道左侧边缘点入射角，α_OR为河道右侧边缘点入射角，α_PL为河道左侧边缘点投射角，α_PR为河道右侧边缘点投射角，B_L(x，y)为河道左侧边缘点与测量船中心点BO(x，y，z)之间的距离，B_R(x，y)为河道右侧边缘点与测量船中心点BO(x，y，z)之间的距离，B_(x，y)为在船舶中心点位于BO(x，y，z)时的河道宽度。

所述河道宽度计算模块还包括：左侧距离BL和右侧距离BR计算单元中，用于设置一张光编码表来实现某一光波长λ与某一投射角αp之间存在的映射关系，所述某一投射角αp是泛指，具体根据河道左右边缘点有α_PL和α_PR；一张入射角计算表来实现某一个点的坐标数据与该点所对应的入射角αo之间存在的映射关系，这里入射角αo是泛指，具体根据河道左右边缘点有α_OL、α_OR；投射角αp、入射角αo计算采用查表方式实现；首先在全景彩色体结构光发生器的供电电源处于ON状态时按全方位视觉传感器的成像平面的点坐标顺序读取某一个像素点的波长λ值，以点坐标值检索入射角计算表得到该点所对应的入射角αo，接着以该点的光波长λ值检索光编码表得到该光波长λ所对应的投射角αp；最后利用公式(11)计算得到船舶中心点到河道左右边缘点之间的距离信息，利用公式(12)计算得到在船舶中心点位于BO(x，y，z)时的河道宽度；

表1为投射角αp与颜色波长λ值的关系表；

投射角αp	零纬  0°	南纬  2°	南纬  4°	南纬  6°	南纬  8°	南纬  10°	南纬  12°	南纬  14°
									颜色	紫色	蓝紫  色	蓝色	绿色	浅绿  黄色	黄色	红色	橙色
中心波长λ(nm)	405	430	473	532	593	635	650	670

表1

在成像平面的某个像素点上获得的色彩波长，根据查表，通过插值计算得到在色彩波长的投射角αp；插值计算如公式(13)所示，

${\mathrm{\α}}_p={\mathrm{\α}}_{n-1}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{n-1}-{\mathrm{\λ}}_p}{{\mathrm{\λ}}_{n-1}-{\mathrm{\λ}}_n}({\mathrm{\α}}_n-{\mathrm{\α}}_{n-1})---\left(13\right)$

式中，λ_n-1、λ_n分别为已知某颜色波长λ_p的相邻的颜色中心波长，α_n-1、α_n分别为已知某颜色波长λ_p的相邻的投射角。

所述的宽动态CMOS成像器件，其感光器件采用了以宽动态CMOS感光芯片技术，芯片中的核心是采用了特殊DSP电路对明亮部分进行最合适的快门速度曝光，再对暗的部分用最合适的快门速度曝光，最后将多个图像进行DSP处理重新组合。

本发明的技术构思为：要完成实时、快速、准确的主动式立体视觉测量必须解决以下几个方面的问题：1)视觉测量的视点必须是固定的单一视点；2)投影光源的发射点必须是固定的单一发射中心点；3)在视觉传感器平面上的像素点必须带有空间物点的深度信息；4)视觉传感器的单一视点和投影光源的单一发射中心点必须在同一个轴心线上；5)同时能满足远、中、近距离的视觉测量；6)摄像单元、投影光源单元和被测物体都能统一在同一个坐标系内；7)视觉传感器必须是宽动态的，即使在阳光下也不会出现饱和现象；8)同时配合GPS和水深测量装置，能将测量船舶的位置信息、河道的深度信息以及河道的宽度信息进行融合，自动生成河道的三维立体数据和截面图。

对于问题1)，本发明中采用固定单一视点的全方位视觉传感器的设计；对于问题2)，本发明中采用球面体结构全景彩色技术，固定单一发射中心点为球体的圆心；对于问题3)，本发明中采用色彩颜色作为空间物点的深度信息；对于问题4)，我们在设计时保证全方位视觉传感器与全景彩色体结构光发生器同轴；对于问题5)，从投影光源来说，所投射的光能照射到远、中、近距离，即光源的聚光性要好，本发明中采用激光照射；从全方位视觉传感器来说，采用折反射成像技术，对远、中、近距离的物象不会存在焦距问题；对于问题6)，本发明中采用了统一的高斯球面坐标系，将摄像单元、投影光源单元和被测物体都统一在高斯球面坐标系中，从而减少在各种坐标系中的相互转换所浪费计算资源和计算时间，提高系统实时性和鲁棒性；对于问题7)，本发明中的摄像单元采用宽动态摄像技术，从而保证在任何光照条件下不会出现光饱和的现象，提高系统的自适应性；对于问题8)以GPS定位数据为线索，将河道的深度数据和河道的宽度数据进行融合，达到自动生成河道的三维立体图。

河道测量涉及河道的地理位置、河道的深度和宽度的测量；河道的地理位置信息的测量是通过GPS传感器来实现的，河道的深度的测量是通过声纳传感器来实现的；本发明提出的基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置是河道测量中的一个重要测量项目，并且与河道的地理位置测量紧密相关；河道的宽度实时测量时需要实时获取动态测量点的坐标，并在该坐标上标志出河道的宽度；

GPS传感器是用于接收全球定位系统(GPS)信号的传感器，GPS指利用在大约20183公里高度绕地球轨道运行的24颗人造卫星来跟踪全球位置的系统。即，GPS是一种卫星导航系统，其中安装在测量船上的GPS传感器接收从卫星发送的无线电波，由于已知卫星的精确位置，所以能够计算出接收无线电波所需的时间，从而获取测量船的位置；安置在测量船上的GPS传感器接收GPS信号，并且使用测量船的几何坐标x，y，z和当前时间信息t向微处理器中的位置检测子系统发送位置信息，微处理器根据位置检测子系统所获得的测量船的位置信息、根据深度检测子系统所获得的该位置情况下的水深信息、根据宽度检测子系统所获得的该位置情况下的河道宽度信息动态生成河道的三维立体测量图。

本发明的有益效果主要表现在：

1)、提供了一种全新的河道宽度立体视觉检测方法，通过主动的全景彩色结构光发生、基于双曲面镜折反射的全方位成像技术，结合GSP定位和声纳水深测量技术实现了快速实时的河道截面立体摄像测量；

2)、充分利用了LD光色纯和光束集中的优点，构成全景彩色结构光发生器的每个LD都具有分立的光谱，谱线狭窄，色彩丰富，鲜艳，LD发光大部分集中会聚于中心，发散角小，河道宽度的主动视觉测量范围可以从数十米到公里级；

3)、采用了宽动态摄像技术，使得基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置的环境适应性得到极大提高；

4)、同时能满足远、中、近距离的视觉测量，具有自动化测量程度高，能自动动态生成河道的截面测量图；

5)利用全方位视觉的功能，可以使得测量船实现无人驾驶操作测量。

附图说明

图1为一种全方位视觉传感器的结构图；

图2为一种用于河道宽度立体视觉检测的全景彩色结构光发生器的结构图；

图3为基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置的原理图；

图4为河道截面实时测量装置的示意图；

图5为全方位视觉传感器成像原理图；

图6为主动三维立体全景成像过程说明图；

图7为全方位视觉传感器和全景彩色结构光发生器在同一极线平面上的说明图；

图8为点激光视觉测量示意图；

图9为线激光视觉测量示意图；

图10为面激光视觉测量示意图；

图11为激光二极管控制线路图；

图12为河道截面实时测量装置的处理流程图；

图13为宽动态范围场景成像原理图；

图14为河道宽度测量的模型图。

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1～7、图13～14，一种基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置，包括具有固定单一视点的全方位视觉传感器、具有固定单一发射中心点的全景彩色体结构光发生器以及用于对河道宽度进行三维立体摄像测量、河道地图数据获取、与河道深度数据融合的微处理器，所述全方位视觉传感器的视点与所述全景彩色体结构光发生器的发射中心点配置在同一根轴心线上；所述的基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置、所述的GPS传感器和所述的声纳传感器配置均固定在同一立杆延长线上，如附图4所示，所述的立杆固定在测量船舶的中心位置并与水平面垂直；

所述全方位视觉传感器包括双曲面镜面2、上盖1、透明半圆形外罩3、下固定座4、摄像单元固定座5、摄像单元6、连接单元7、上罩8，如附图1所示；所述的双曲面镜面2固定在所述的上盖1上，所述的连接单元7将所述的下固定座4和透明半圆形外罩3连接成一体，所述的透明半圆形外罩3与所述的上盖1以及所述的上罩8通过螺钉固定在一起，所述的摄像单元6用螺钉固定在所述的摄像单元固定座5上，所述的摄像单元固定座5用螺钉固定在所述的下固定座4上，所述全方位视觉传感器中的所述的摄像单元6的输出与所述微处理器连接；所述的摄像单元6是宽动态CMOS成像器件；

在宽动态CMOS成像器件中每个像素和一个数模转换相配套，因此强光像素降低了曝光量，低光像素相反增加曝光量。这个特点对于要获取全景视频图像的全方位视觉传感器来说具有十分重要的意义；这是因为一个CCD传感器可以调节亮景和暗景，但是不能同时对两个亮度进行调节。在原先的全方位视觉传感器中由于采用的是CCD传感器，当我们将原先的全方位视觉传感器安装在室内时，得到的曝光效果是不错的，可以比较清晰地获得室内的全景视频图像；而当我们将全方位视觉传感器移动到室内外的交界区域，全方位视觉传感器就不能很好的工作，室外的场景出现了过度曝光，不能捕捉到室外面的任何东西。在河道上使用中也会出现类似的问题，比如太阳光的照射是在不断变化的，在阳光斜射到全方位视觉传感器上时全方位视觉传感器就不能很好的工作，被阳光照射的一侧出现了过度曝光，成像时表现为白茫茫的一片；同时阳光斜射到水面上的镜面反射也会出现过度曝光现象。

人类的眼睛在不同的光照条件下具有自动调节功能，适用连续变化的光线，能看到最理想图像。当眼睛看到一幅包含亮光和暗光的场景时，能够减少对强光区域的敏感度，增加对黑暗物体和阴影部分的细节的敏感度。宽动态全方位视觉传感器采用一种新的CMOS传感器技术，保证了尽管前景是强光的条件下，阴影部分物体仍然清晰可见；强光区域的物体也不会消失，同时也能很好的抽取出激光照射的色彩信息，其原理图如附图13所示；

所述的全景彩色体结构光发生器包括圆形面体基板9-1、3组具有不同发光中心波长的激光二极管LD9-2，如附图2所示；所述的激光二极管LD9-2固定在所述的圆形面体基板9-1上，所述的圆形面体基板为内部圆型中空、上下圆柱形中空的圆形面体，所述的圆形面体基板的外圆形面上从零纬度开始以相隔一定角度均匀等分排列着与激光二极管LD9-2的外直径相等的小孔，由于本发明中要获得河道边缘的信息，全景彩色体结构光发生器的安装高度高于水平面，为了能保证全景彩色体结构光发生器所发出的激光基本上都在河道边缘附近以提高投射角的分辨率，在设计中将所有激光二极管的投射角设计为0°～16°范围内，在同一纬度线上同时配置了三颗具有相同发光中心波长的激光二极管；所述的3组具有不同发光中心波长的激光二极管LD9-2依次从在所述的圆形面体基板上的零纬度值(0°)到最大俯角(16°)按顺序插入到相应的小孔内，每个激光二极管的发射光方向与所插入相应小孔的法线方向重合；

所述的基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置，通过连接杆10(也称为立杆)将所述的全景彩色体结构光发生器和所述的全方位视觉传感器连接起来，如附图3所示，连接杆10的上部的法兰通过螺钉固定全方位视觉传感器，全景彩色体结构光发生器套在连接杆10中并用螺钉进行固定，全景彩色体结构光发生器上的圆形面体基板平面正对着测量船的航行方向，这种连接方式保证了所述的全景彩色体结构光发生器的发射中心Op和所述的全方位视觉传感器的视点Ov在同一轴心线上，全方位视觉传感器的电源线、视频数据线以及全景彩色体结构光发生器的电源线均从连接杆10的中孔内穿出，连接到供电电源以及微处理器的相应接口上；当供电电源给全景彩色体结构光发生器供电时，所述的全景彩色体结构光发生器将从测量船的两侧发出扇形面全景彩色体结构光，所有光的发光中心点在全景彩色体结构光发生器的圆形面体的中心点上；

目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有370nm、390nm、405nm、430nm、473nm、532nm、593nm、635nm、650nm、670nm、780nm、808nm、850nm、980nm、1310nm、1550nm等，其中1310nm、1550nm主要用于光纤通讯领域。390nm-370nm为紫外光波段，405nm-670nm为可见光波段，780nm-1550nm为红外光波段。本发明中将采用可见光波段的半导体激光器，其中心波长在405nm、430nm、473nm、532nm、593nm、635nm、650nm、670nm，每个半导体激光器LD9-2的光线发射方向与圆形面体9-1的法线方向重合，这样产生的所有彩色光均是从圆形面体9-1的中心向外发射，所形成的彩色结构光与所述全景彩色体结构光发生器上某个半导体激光器LD所处的纬度值αp之间具有一定的函数关系，因此只要得到某一个光的波长就可以估算出全景彩色体结构光发生器的纬度值αp，即发光体的俯角；

由于全景彩色体结构光发生器9的轴心和全方位视觉传感器的轴心相重叠，全景彩色体结构光发生器9的主动投影的经度必定是与全方位视觉传感器的方位角相一致的，从计算机视觉的角度来说，必定处在同一极平面上，如附图9所示；主动立体视觉的范围由附图4给出，在附图4中的斜线部分就是立体全景视觉的范围；

根据上述的设计，当全景彩色体结构光发生器处于供电状态时，全景彩色体结构光发生器在纬度方向上形成了扇型状的呈按照角度函数关系变化的峰值波长的投射光，投射光从测量船的两侧发出并朝向河道边缘部位；如附图8所示，当空间上的一个点A(X，Y，Z)，即河道的边缘点接受到一定波长的光，按照附图3的配置方式，投射到河道边缘点A(X，Y，Z)的光是蓝色光，波长为473nm，该光点A(X，Y，Z)继续向全方位视觉传感器的双曲面镜2反射，光线朝向全方位视觉传感器的双曲面镜2的实焦点，根据双曲面的镜面特性向着全方位视觉传感器的虚焦点14折反射，图5所示；反映实物图像的各具有一定波长的光点经全方位视觉传感器的双曲面镜2反射到聚光透镜中成像，在该成像平面上的一个点P(x，y)对应着实物在空间上的一个点的坐标A(X，Y，Z)，成像光路图如图6中的粗实线所示；

通过上述的设计，全景彩色体结构光发生器和全方位视觉传感器分别具有一个固定的发射中心点和一个固定的视点，并且这两个点处在同一对称中心轴的这两个特点；所谓的发射中心点对于全景彩色体结构光发生器来说是指全景彩色体结构光发生器的发射中心点，即圆形面体9-1的圆心，如附图6中的Op；对于全方位视觉传感器来讲是指全方位视觉传感器的折反射镜面的实焦点，如附图6中的Ov；通过全景彩色体结构光发生器和全方位视觉传感器的共同作用确定了河道边缘点A(X，Y，Z)在成像平面上点P(x，y)的投射角αp和入射角αo，即在成像平面上点P(x，y)上可以确定点A(X，Y，Z)的深度信息，即可以估算出河道边缘点到测量船的距离，如附图6(a)所示；

关于方位角，由于全景彩色体结构光发生器9的轴心和全方位视觉传感器的轴心相重叠，全景彩色体结构光发生器9的主动投影的经度必定是与全方位视觉传感器的方位角相一致，因此将全景彩色体结构光发生器9的主动投影的经度值作为全方位视觉传感器的方位角数据；

进一步，介绍全方位视觉传感器的工作原理：进入双曲面镜的中心的光，根据双曲面的镜面特性向着其虚焦点折射。实物图像经双曲面镜反射到聚光透镜中成像，在该成像平面上的一个点P(x，y)对应着实物在空间上的一个点的坐标A(X，Y，Z)；

图5中的2--双曲线面镜，12-入射光线，13-双曲面镜的实焦点Om(0，0，c)，14-双曲面镜的虚焦点，即摄像单元6的中心Oc(0，0，-c)，15-反射光线，16-成像平面，17-实物图像的空间坐标A(X，Y，Z)，18-入射到双曲面镜面上的图像的空间坐标，19-反射在成像平面上的点P(x，y)；

图5中所示的双曲面镜构成的光学系统可以由下面5个等式表示；

((X²+Y²)/a²)-((Z-c)²/b²)＝-1当Z＞0时     (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)

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

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投影平面上与X轴的夹角，即方位角，α表示入射光线在XZ投影平面上与X轴的夹角，这里将α称为入射角，α大于或等于0时称为俯角，将α小于0时称为仰角，f表示成像平面到双曲面镜的虚焦点的距离，γ表示折反射光线与Z轴的夹角；x，y表示在成像平面上的一个点；

根据附图4所示河道宽度主动立体视觉测量方案中，关于河道场景的所有视频信息都处于全方位视觉传感器的实焦点Ov之下；为了使得全方位视觉传感器在关注的河道边缘区域内具有较高的成像分辨率，在所述的双曲面镜面2设计时需要尽可能将垂直方向的可视范围限制在俯角80°到20°范围内，如附图5所示；本发明中通过加大双曲面镜的实轴a和虚轴b的比来提高河道场景内成像分辨率；

具有某一特定波长的点将在全方位视觉传感器的成像平面上有一个对应点，即P(x，y)，根据双曲面镜的折反射成像原理可通过公式(6)计算出该点的折反射光线与Z轴的夹角γo；有了折反射角γo，就可以通过公式(7)计算得到具有某一特定波长的点的入射角αo，

${\mathrm{\γ}}_0{=\tan }^{-1}[f/\sqrt{(x^2+y^2)}]---\left(6\right)$

α_o＝tan^-1[(b²+c²)sinγ_o-2bc]/(b²+c²)cosγ_o(7)

由于某一波长光的波长的投射角αp与入射角αo均在同一极平面上，如附图7所示，有了这两个数据就能方便地得到空间点与观察点的位置深度和角度信息，即在全方位视觉传感器成像平面上的某一个像素点的位置代表入射角αo的信息，该像素点的色彩代表投射角αp的信息；

所述的微处理器中包括：河道宽度测量子系统、测量船舶位置检测子系统和河道深度检测子系统；所述的河道宽度测量子系统中包括：LD光源控制单元、视频图像读取模块、视频图像加工模块、河道宽度计算模块、河道截面图自动生成模块和存储设备；如附图12所示；

所述的LD光源控制单元，用于控制全景彩色体结构光发生器发出全彩色全景结构光，在LD光源控制单元使全景彩色体结构光发生器的供电电源处于ON状态时，在全方位视觉传感器的成像单元中直接获得空间某物点的深度和方位角度信息；实际LD光源的供电电源开关控制采用如附图11所示的激光二极管控制电子回路来实现，当用软件接通电子开关K1～K8中的任何一个开关，激光二极管就会发光；反之将电子开关断开，激光二极管就不发光；

图11中BA5104是发射器芯片，K1～K8是控制输入端，内接上拉电阻。当接通其中任一控制输入端时，OSC1和OSC2脚所内接的时钟电路及外接455kHz晶体、电容C1、C2组成的振荡电路起振，经内部电路分频产生38kHz载频，经达林顿管D1581放大后驱动半导体激光管LD送出调制载波脉冲激光信号。电位器W用以调节激光管的工作电流，以使其处于额定工作电流之内。LED端是发射状态显示输出端，有高电平输出时，LED发亮。图11中的LD半导体激光二极管，是光电开关发射器的关键元件。

激光二极管与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离，检测距离可长达数百米至数公里，半导体激光光源是一种相干性强的光源，因而方向性很强，用光学系统准直后，可很容易的把发散角限制在0.2mrad以内。激光照射的光斑大小可按下式近似计算：

d＝L×θ              (14)

式中，d为光斑直径(mm)；L为检测距离(m)；θ为发散角(mrad)。

若一束激光投射到500m远处，可近似得光斑直径为100mm，可见光斑并不大，在此范围内仍有较大的能量分布。因此，有时需要从检测距离来确定激光二极管的发散角，一般测量距离远需要采用小的发散角激光二极管，对于测量距离近则可以采用大的发散角激光二极管。

进一步，采用激光激光对人体，特别是人眼有严重伤害，使用时需特别小心。国际上对激光有统一的分类和统一的安全警示标志，根据激光对人体的危险度分类，在光树内观察对眼睛的MPE(maximal possible effect最大可能的影响)做基准，激光器分为四类(Class1～Class4)，一类激光器对人是安全的，二类激光器对人有较轻的伤害，三类以上的激光器对人有严重伤害，使用时需特别注意，避免对人眼直射。本发明中为了测量较远的距离采用二类激光器，即Class II级：低输出的可视激光(功率0.4mW-1mW)，人闭合眼睛的反应时间为0.25秒，用这段时间算出的曝光量不可以超过MPE值。通常1mW以下的激光，正常暴露在这种激光器的光束下不会对眼睛的视网膜造成永久性的伤害，但是会导致晕眩，本发明中采用间断式的照射，每次照射时间都为一秒以下，因此该装置对人眼来说是安全的。

所述的视频图像读取模块，用于读取全方位视觉传感器的视频图像，并保存在所述的存储设备中，其输出与所述的空间信息计算模块连接；在全景彩色体结构光发生器的供电电源处于ON状态时所读取的全景视频图像中的各像素色彩带有某物点的深度和方位角度信息；如附图6所示；比如在附图8(a)中某物点的像素P(i，j)中读取的颜色为蓝色，该颜色表示全景彩色体结构光发生器的投射角αp为南纬6°，根据双曲面镜的成像原理通过公式(6)、(7)计算成像平面上的P(i，j)的入射角αo，通过投射角αp、入射角αo以及全景彩色体结构光发生器的中心点和全方位视觉传感器的实焦点Om之间的距离得到空间物点(河道边缘点)的深度信息；

所述的视频图像加工模块，用于在获取的全景视频图像上添加测量船的位置信息和该位置上的水深信息，以便后续人机交互、修正河道自动视频测量中的错检与漏检；

所述的河道宽度计算模块，用于计算河道边缘上的点到基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置的中心点的距离及入射角，分别计算河道两侧边缘点与全方位视觉传感器的实焦点O_m的距离R_L1、R_R1，河道两侧边缘点与测量船立杆中心点的距离B_L、B_R；其输出与河道截面图自动生成模块连接；

所述的河道宽度计算模块包括测量船两侧河道边缘点的左侧投射角α_PL和右侧投射角α_PR计算单元、左侧入射角α_OL和右侧入射角α_OR计算单元、左侧距离B_L和右侧距离B_R计算单元；

所述的左侧投射角α_PL和右侧投射角α_PR计算单元，用于利用彩色全景投影的投射角αp与彩色全景投影中某个激光半导体LD所发射出的光波长之间具有一定的函数关系来计算的，当全景彩色体结构光发生器的供电电源处于ON状态时，成像平面上的像素的色彩分量与投射角αp存在一一对应关系，利用该关系来得到左侧投射角α_PL和右侧投射角α_PR；

所述的左侧入射角α_OL和右侧入射角α_OR计算单元，用于利用全方位视觉传感器的入射角α_OL、α_OR与折反射角γ_OL、γ_OR之间存在着公式(9)所示的函数关系，

α_OL＝tan^-1[(b²+c²)sinγ_OL-2bc]/(b²+c²)cosγ_OL

α_OR＝tan^-1[(b²+c²)sinγ_OR-2bc]/(b²+c²)cosγ_OR    (9)

折反射角γ_OL、γ_OR与成像平面上的河道左右侧边缘点L(x1，y1)、R(x2，y2)存在着公式(10)所示的函数关系，

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{OL}}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{({x1}^2+{y1}^2)}]---\left(10\right)$

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{OR}}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{({x2}^2+{y2}^2)}]$

通过公式(9)和(10)可得到成像平面上的河道左右侧边缘点L(x1，y1)、R(x2，y2)与左侧入射角α_OL和右侧入射角α_OR之间的函数关系；当得到了左侧投射角α_PL、右侧投射角α_PR、左侧入射角α_OL和右侧入射角α_OR这些信息后，实际河道左右侧边缘点Lp、Rp也就确定了，如附图14所示；

所述的左侧距离B_L和右侧距离B_R计算单元，测量船的中心点位置由GPS定位系统来确定，如附图14中的BO点；这里需要考虑测量船摇摆的影响，不能用直角三角型的计算公式，本发明中利用正弦和余弦定理来计算所述的左侧距离B_L和右侧距离B_R，公式(11)～(12)分别计算成像平面上的河道左右侧边缘点与全方位视觉传感器的实焦点O_v的距离R_L1、R_R1，然后根据R_L1 R_R1以及α_OL、α_OR计算测量船中心点到河道边缘的左侧距离B_L和到河道边缘的右侧距离B_R，

$B_{L(x,y)}=\sqrt{{R_{L1}}^2+H^2+2\×R_{L1}\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}}\right)}$

$=\sqrt{{\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}})}\right]}^2+H^2+2\×\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}})}\right]\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}}\right)}---\left(11\right)$

$B_{R(x,y)}=\sqrt{{R_{R1}}^2+H^2+2\×R_{R1}\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}}\right)}$

$=\sqrt{{\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}})}\right]}^2+H^2+2\×\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}})}\right]\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}}\right)}---\left(12\right)$

B_(x，y)＝B_L(x，y)+B_R(x，y)

式中：B为基线距，即投影光源中心点Op与全方位视觉传感器的实焦点Ov之间的距离，H为测量船的立杆上的全方位视觉传感器的实焦点Ov与立杆和水平面相交点之间的距离，α_OL为河道左侧边缘点入射角，α_OR为河道右侧边缘点入射角，α_PL为河道左侧边缘点投射角，α_PR为河道右侧边缘点投射角，B_L(x，y)为河道左侧边缘点与测量船中心点BO(x，y，z)之间的距离，B_R(x，y)为河道右侧边缘点与测量船中心点BO(x，y，z)之间的距离，B_(x，y)为在船舶中心点位于BO(x，y，z)时的河道宽度。

再进一步，在所述的左侧距离B_L和右侧距离B_R计算单元中，设置一张光编码表来实现某一光波长λ与某一投射角αp之间存在的映射关系，这里某一投射角αp是泛指，具体根据河道左右边缘点有α_PL和α_PR；一张入射角计算表来实现某一个点的坐标数据与该点所对应的入射角αo之间存在的映射关系，这里入射角αo是泛指，具体根据河道左右边缘点有α_OL、α_OR；投射角αp、入射角αo计算采用查表方式实现；首先在全景彩色体结构光发生器的供电电源处于ON状态时按全方位视觉传感器的成像平面的点坐标顺序读取某一个像素点的波长λ值，以点坐标值检索入射角计算表得到该点所对应的入射角αo，接着以该点的光波长λ值检索光编码表得到该光波长λ所对应的投射角αp；最后利用公式(11)计算得到船舶中心点到河道左右边缘点之间的距离信息，利用公式(12)计算得到在船舶中心点位于BO(x，y，z)时的河道宽度；

再进一步，我们可以设计一张投射角αp与颜色波长λ值的关系表，如表1所示；

表1投射角αp与相应颜色波长λ值对应表

投射角αp	零纬  0°	南纬  2°	南纬  4°	南纬  6°	南纬  8°	南纬  10°	南纬  12°	南纬  14°
									颜色	紫色	蓝紫  色	蓝色	绿色	浅绿  黄色	黄色	红色	橙色
中心波长λ(nm)	405	430	473	532	593	635	650	670

如果在成像平面的某个像素点上获得的色彩波长为540nm，根据查表，可以得到该颜色波长在绿色532nm和浅绿黄色593nm之间，可以通过插值计算得到在色彩波长为540nm时的投射角αp为南纬6.26°；插值计算如公式(13)所示，

${\mathrm{\α}}_p={\mathrm{\α}}_{n-1}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{n-1}-{\mathrm{\λ}}_p}{{\mathrm{\λ}}_{n-1}-{\mathrm{\λ}}_n}({\mathrm{\α}}_n-{\mathrm{\α}}_{n-1})---\left(13\right)$

式中，λ_n-1、λ_n分别为已知某颜色波长λ_p的相邻的颜色中心波长，α_n-1、α_n分别为已知某颜色波长λ_p的相邻的投射角。

Claims (7)

1.一种基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置，其特征在于：所述基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置包括GPS传感器、声纳传感器、具有固定单一视点的全方位视觉传感器、具有固定单一发射中心点的全景彩色体结构光发生器以及用于对河道宽度进行三维立体摄像测量、河道地图数据获取、与河道深度数据融合的微处理器，所述全方位视觉传感器的视点与所述全景彩色体结构光发生器的发射中心点配置在同一根轴心线上；所述的全方位视觉传感器、全景彩色体结构光发生器、GPS传感器和声纳传感器均固定在同一立杆延长线上；

所述全方位视觉传感器包括双曲面镜面、上盖、透明半圆形外罩、下固定座、摄像单元固定座、摄像单元、连接单元和上罩；所述的双曲面镜面固定在所述的上盖上，所述的连接单元将所述的下固定座和透明半圆形外罩连接成一体，所述的透明半圆形外罩与所述的上盖以及所述的上罩固定在一起，所述的摄像单元固定在所述的摄像单元固定座上，所述的摄像单元固定座固定在所述的下固定座上，所述的摄像单元的输出与所述微处理器连接；所述的摄像单元是宽动态CMOS成像器件；

所述的全景彩色体结构光发生器包括圆形面体基板和3组具有不同发光中心波长的激光二极管，所述的激光二极管固定在所述的圆形面体基板上，所述的圆形面体基板为内部圆型中空、上下圆柱形中空的圆形面体，所述的圆形面体基板的外圆形面上从零纬度开始以相隔相同角度均匀等分排列着与激光二极管的外直径相等的小孔，在同一纬度线上同时配置了三颗具有相同发光中心波长的激光二极管；所述的3组具有不同发光中心波长的激光二极管依次从在所述的圆形面体基板上的零纬度值到最大俯角按顺序插入到小孔内，每个激光二极管的发射光方向与所插入相应小孔的法线方向重合；

所述的全景彩色体结构光发生器和所述的全方位视觉传感器连接，全景彩色体结构光发生器上的圆形面体基板平面正对着测量船的航行方向，所述的全景彩色体结构光发生器的发射中心Op和所述的全方位视觉传感器的视点Ov在同一轴心线上，当供电电源给全景彩色体结构光发生器供电时，所述的全景彩色体结构光发生器从测量船的两侧发出扇形面全景彩色体结构光，所有光的发光中心点在全景彩色体结构光发生器的圆形面体的中心点上；

所述微处理器包括：

LD光源控制单元，用于控制全景彩色体结构光发生器发出全彩色全景结构光，在LD光源控制单元使全景彩色体结构光发生器的供电电源处于ON状态时，在全方位视觉传感器的成像单元中直接获得空间某物点的深度和方位角度信息；实际LD光源的供电电源开关控制采用如附图11所示的激光二极管控制电子回路来实现，当用软件接通电子开关K1～K8中的任何一个开关，激光二极管就会发光；反之将电子开关断开，激光二极管就不发光；

视频图像加工模块，用于在获取的全景视频图像上添加测量船的位置信息和该位置上的水深信息，以便后续人机交互、修正河道自动视频测量中的错检与漏检；河道宽度计算模块，用于计算河道边缘上的点到基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置的中心点的距离及入射角，分别计算河道两侧边缘点与全方位视觉传感器的实焦点Om的距离RL1、RR1，河道两侧边缘点与测量船立杆中心点的距离BL、BR；其输出与河道截面图自动生成模块连接；

河道截面图自动生成模块，用于根据得到的河道两侧边缘点与全方位视觉传感器的实焦点Om的距离RL1、RR1，河道两侧边缘点与测量船立杆中心点的距离BL、BR以及河道深度信息生成河道截面图，河道深度信息从声纳传感器获得。

2.如权利要求1所述的基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置，其特征在于：所述的激光二极管的投射角设计为0°～16°范围内，所述的3组具有不同发光中心波长的激光二极管依次从在所述的圆形面体基板上的零纬度值到最大俯角16°按顺序插入到相应的小孔内。

3.如权利要求1或2所述的基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置，其特征在于：所述的双曲面镜面构成的光学系统由下面5个等式表示；

((X²+Y²)/a²)-((Z-c)²/b²)＝-1  当Z＞0时                    (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)

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

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投影平面上与X轴的夹角，即方位角，α表示入射光线在XZ投影平面上与X轴的夹角，这里将α称为入射角，α大于或等于0时称为俯角，将α小于0时称为仰角，f表示成像平面到双曲面镜的虚焦点的距离，γ表示折反射光线与Z轴的夹角；x，y表示在成像平面上的一个点，在所述的双曲面镜面设计时将垂直方向的可视范围限制在俯角80°到20°范围内。

4.如权利要求1或2所述的基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置，其特征在于：所述河道宽度计算模块包括：

左侧投射角α_PL和右侧投射角α_PR计算单元，用于利用彩色全景投影的投射角αp与彩色全景投影中某个激光半导体LD所发射出的光波长之间具有一定的函数关系来计算的，当全景彩色体结构光发生器的供电电源处于ON状态时，成像平面上的像素的色彩分量与投射角αp存在一一对应关系，利用所述对应关系来得到左侧投射角α_PL和右侧投射角α_PR；

左侧入射角α_OL和右侧入射角α_OR计算单元，用于利用全方位视觉传感器的入射角α_OL、α_OR与折反射角γ_OL、γ_OR之间存在着公式(9)所示的函数关系，

α_OL＝tan^-1[(b²+c²)sinγ_OL-2bc]/(b²+c²)cosγ_OL    (9)

α_OR＝tan^-1[(b²+c²)sinγ_OR-2bc]/(b²+c²)cosγ_OR

折反射角γ_OL、γ_OR与成像平面上的河道左右侧边缘点L(x1，y1)、R(x2，y2)存在着公式(10)所示的函数关系，

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{OL}}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{({x1}^2+{y1}^2)}]---\left(10\right)$

${\mathrm{\γ}}_{\mathrm{OR}}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{({x2}^2+{y2}^2)}]$

通过公式(9)和(10)可得到成像平面上的河道左右侧边缘点L(x1，y1)、R(x2，y2)与左侧入射角α_OL和右侧入射角α_OR之间的函数关系；从左侧投射角α_PL、右侧投射角α_PR、左侧入射角α_OL和右侧入射角α_OR这些信息来确定河道左右侧边缘点Lp、Rp。

5.如权利要求4所述的基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置，其特征在于：所述河道宽度计算模块还包括：

左侧距离BL和右侧距离BR计算单元，用于测量船的中心点位置，由GPS定位系统来确定，利用正弦和余弦定理来计算所述的左侧距离BL和右侧距离BR，公式(11)～(12)分别计算成像平面上的河道左右侧边缘点与全方位视觉传感器的实焦点Ov的距离R_L1、R_R1，然后根据R_L1 R_R1以及α_OL、α_OR计算测量船中心点到河道边缘的左侧距离B_L和到河道边缘的右侧距离B_R，

$B_{L(x,y)}=\sqrt{{R_{L1}}^2+H^2+2\×R_{L1}\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}}\right)}$

$=\sqrt{{\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}})}\right]}^2+H^2+2\×\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PL}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}})}\right]\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OL}}\right)}$ (11)

$B_{R(x,y)}=\sqrt{{R_{R1}}^2+H^2+2\×R_{R1}\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}}\right)}$

$=\sqrt{{\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}})}\right]}^2+H^2+2\×\left[\frac{B\×\sin (\mathrm{\π}/2+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}})}{\sin ({\mathrm{\α}}_{\mathrm{PR}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}})}\right]\×H\×\sin \left({\mathrm{\α}}_{\mathrm{OR}}\right)}$

B_(x，y)＝B_L(x，y)+B_R(x，y)            (12)

式中：B为基线距，即投影光源中心点Op与全方位视觉传感器的实焦点Ov之间的距离，H为测量船的立杆上的全方位视觉传感器的实焦点Ov与立杆和水平面相交点之间的距离，α_OL为河道左侧边缘点入射角，α_OR为河道右侧边缘点入射角，α_PL为河道左侧边缘点投射角，α_PR为河道右侧边缘点投射角，B_L(x，y)为河道左侧边缘点与测量船中心点BO(x，y，z)之间的距离，B_R(x，y)为河道右侧边缘点与测量船中心点BO(x，y，z)之间的距离，B_(x，y)为在船舶中心点位于BO(x，y，z)时的河道宽度。

6.如权利要求5所述的基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置，其特征在于：所述河道宽度计算模块还包括：

左侧距离BL和右侧距离BR计算单元中，用于设置一张光编码表来实现某一光波长λ与某一投射角αp之间存在的映射关系，所述某一投射角αp是泛指，具体根据河道左右边缘点有α_PL和α_PR；一张入射角计算表来实现某一个点的坐标数据与该点所对应的入射角αo之间存在的映射关系，这里入射角αo是泛指，具体根据河道左右边缘点有α_OL、α_OR；投射角αp、入射角αo计算采用查表方式实现；首先在全景彩色体结构光发生器的供电电源处于ON状态时按全方位视觉传感器的成像平面的点坐标顺序读取某一个像素点的波长λ值，以点坐标值检索入射角计算表得到该点所对应的入射角αo，接着以该点的光波长λ值检索光编码表得到该光波长λ所对应的投射角αp；最后利用公式(11)计算得到船舶中心点到河道左右边缘点之间的距离信息，利用公式(12)计算得到在船舶中心点位于BO(x，y，z)时的河道宽度；

表1为投射角αp与颜色波长λ值的关系表；

  投射角αp   零纬0°   南纬2°   南纬4°   南纬6°   南纬8°   南纬10°   南纬12°   南纬14°   颜色   紫色   蓝紫色   蓝色   绿色   浅绿黄色   黄色   红色   橙色

  投射角αp   零纬0°   南纬2°   南纬4°   南纬6°   南纬8°   南纬10°   南纬12°   南纬14°   中心波长λ(nm)   405   430   473   532   593   635   650   670

表1

在成像平面的某个像素点上获得的色彩波长，根据查表，通过插值计算得到在色彩波长的投射角αp；插值计算如公式(13)所示，

${\mathrm{\α}}_p={\mathrm{\α}}_{n-1}+\frac{{\mathrm{\λ}}_{n-1}-{\mathrm{\λ}}_p}{{\mathrm{\λ}}_{n-1}-{\mathrm{\λ}}_n}({\mathrm{\α}}_n-{\mathrm{\α}}_{n-1})---\left(13\right)$

式中，λ_n-1、λ_n分别为已知某颜色波长λ_p的相邻的颜色中心波长，α_n-1、α_n分别为已知某颜色波长λ_p的相邻的投射角。

7.如权利要求1所述的基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置，其特征在于：所述的宽动态CMOS成像器件的感光器件采用了以宽动态CMOS感光芯片技术，所述芯片技术中，对明亮部分进行最合适的快门速度曝光，再对暗的部分用最合适的快门速度曝光，最后将多个图像进行DSP处理重新组合。

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