CN102785719A - 用于船舶水尺图像拍摄的爬壁机器人、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于船舶水尺图像拍摄的爬壁机器人、系统以及方法，该方法包括：通过控制爬壁机器人的移动来调整摄像机的视场，使得该视场中包含水尺字符和水面区域；以及在调整后的视场下，拍摄并存储图像。通过上述技术方案，利用爬壁机器人作为摄像机的载体，而爬壁机器人在船舶外壳上移动，当进行拍摄时，机器人与船舶相对保持静止。因此，即便船舶由于风浪晃动，拍摄水尺图像也不会受到影响，保证了采集的水尺图像的真实性。

Description

用于船舶水尺图像拍摄的爬壁机器人、系统及方法

技术领域

本发明涉及船舶水尺图像拍摄方法，具体地，涉及一种利用双臂爬壁机器人实现船舶水尺图像立体拍摄的方法。

背景技术

随着船舶载重量和相关状态参数自动计量系统中应用图像处理技术，在船舶水尺图像的采集过程中不受外界环境影响，获得真正反映水尺数据的图像就为整个计量系统的实现提供了原始数据。因此水尺图像的精准度对提高计量系统的精度具有重要的理论意义和应用价值。

目前现有计量系统中的图像处理过程都着重强调了水线的检测与倒影细节处理等二维图像处理的重点，但忽略了船舶形状对水尺成像的影响以及由此带来的二维成像中数字字符扭曲变形对测量精度的影响，而这些因素直接关系到水尺数据的准确性。通过研究发现：获取场景的立体信息可以降低上述因素对检测精度的影响，而获得立体信息最通用的方法是利用双目立体视觉理论在不同视点上或不同时间拍摄的两幅或多幅图像提供的信息来获取立体信息。基于水尺图像采集环境的特殊性，如何获得同一场景的左右视图就成了船舶水尺图像立体化过程的难题。现今获取场景二维图像的方法主要有：单机法和双机法两大类。单机法是用一架相机在一定距离的同一水平线上相继拍两次或者更多次的方法；双机法是将两架相机放在同一水平线上，同时曝光便可。这两种方法都是基于双目视差原理获得不同角度的场景图像。

目前采集船舶水尺图像主要分两步进行：在船舶的港口侧采集船舶首中尾三面水尺图像；在船舶的海水侧，则将图像采集装置放在小船上采集船舶三面水尺图像。由于采集用小船易受到海水波浪的影响，图像采集装置处于非平稳状态，水尺图像可能会受到各种噪声影响出现退化现象，因此水尺图像的真实性就降低了，增加了后续处理的复杂度，各种不可预料的因素都可能会使测量结果出现错误。

发明内容

本发明的目的是提供能够提高水尺图像真实性的用于船舶水尺图像拍摄的爬壁机器人、系统以及方法。

为了实现上述目的，本发明的一个方面提供一种用于船舶水尺图像拍摄的爬壁机器人，该机器人包括主体，其中，该机器人还包括设置在该主体上的机械臂，该机械臂用于安装摄像机，其中该机械臂的长度、该机械臂与主体之间的角度以及该机械臂与摄像机之间的角度是可调节的。

本发明的另一个方面提供一种用于船舶水尺图像拍摄的系统，该系统包括：所述的爬壁机器人；设置在该爬壁机器人的机械臂上的摄像机；以及远程控制端，该远程控制端用于控制该爬壁机器人的移动，调节机械臂的长度、机械臂与主体之间的角度以及该机械臂与摄像机之间的角度，接收并显示所述摄像机拍摄的图像。

本发明的还一个方面提供一种船舶水尺图像拍摄方法，该方法包括：通过控制所述的爬壁机器人的移动来调整摄像机的视场，使得该视场中包含水尺字符和水面区域；以及在调整后的视场下，拍摄并存储图像。

通过上述技术方案，利用爬壁机器人作为摄像机的载体，而爬壁机器人在船舶外壳上移动，当进行拍摄时，机器人与船舶相对保持静止。因此，即便船舶由于风浪晃动，拍摄水尺图像也不会受到影响，保证了采集的水尺图像的真实性。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的水尺图像拍摄方法的示意流程图；

图2为本发明的水尺图像拍摄所采用的爬壁机器人的示意图；

图3为改变基线长度时摄像机光轴角度调整示意图；

图4a和4b分别为视场范围只有船舶表面时的图像与直方图；

图5a和5b分别为视场范围包括船舶表面和水面区域时的图像与直方图；以及

图6为利用本发明的实施方式的方法采集的规范化的水尺左右视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

根据本发明的一个实施方式，提供了一种用于船舶水尺图像拍摄的爬壁机器人，该机器人包括主体，其中，该机器人还包括设置在该主体上的机械臂，该机械臂用于安装摄像机，其中该机械臂的长度、该机械臂与主体之间的角度以及该机械臂与摄像机之间的角度是可调节的。

该爬壁机器人的主体可以为本领域技术人员所知，一般可以包括行走机构，行走机构必须具备吸附和移动两个基本功能，常见的吸附方式有负压吸附和永磁吸附两种。其中负压方式可以通过吸盘内产生负压而吸附于壁面上，不受壁面材料的限制；永磁吸附方式则有永磁体和电磁铁两种方式，只适用于吸附导磁性壁面。

机械臂可以是可升缩式的，可以例如通过丝杆或液压油缸来实现机械臂的伸缩。机械臂与机器人主体之间的角度也是可调节的。此外，机械臂与安装在其一端的摄像机之间的角度也是可调节的。例如，机械臂上可以设置有球关节连接件，机械臂可以通过该球关节连接件与摄像机连接。摄像机与机械臂之间的角度的调节可以通过电机来实现。机械臂与主体之间的角度的调节也可以如此实现。可替换地，机械臂与主体之间也可以是枢轴连接。

图2示出了这样一种爬壁机器人的示意图。如图2所示，附图标记1表示机器人主体，2表示摄像机，3表示船舶外表面，主体与摄像机之间的直线4表示机械臂，点划线5表示水面，“）1”表示机械臂与主体1之间的角度，“）2”表示摄像机与机械臂之间的角度，“）3”表示摄像机的垂直视角，虚线（1）表示摄像机的光轴，虚线（2）表示机器人主体位置的切平面。

在采用双机法的实施方式中，需要用到两个摄像头。因此，在一个实施方式中，机械臂可以包括左臂和右臂，该左臂和右臂用于分别安装一摄像机；以及该左臂和右臂能够对称地伸缩。本领域技术人员可以理解，这里所说的对称地伸缩是指当左臂伸长或缩短某个长度时，右臂同时相对伸长或缩短该长度。左臂和右臂的结构和形状可以是本领域技术人员可以想到的任意的结构和形状，只要能够保证摄像头的镜头能够对船舶外壳进行拍摄且两个摄像头之间的距离（基线长度）可调节。

机器人的行走、机械臂的伸缩、机械臂与主体之间角度以及机械臂与摄像头之间的角度等可以通过将在下面描述的远程控制端来控制。

在本发明的另一个实施方式中，提供了一种用于船舶水尺图像拍摄的系统，该系统可以包括：

上述的爬壁机器人；

设置在该爬壁机器人的机械臂上的摄像机；以及

远程控制端，该远程控制端用于控制该爬壁机器人的移动，调节机械臂的长度、机械臂与主体之间的角度以及该机械臂与摄像机之间的角度，接收并显示所述摄像机拍摄的图像。

远程控制端可以与机器人和摄像机进行有线或无线通信，并可以包括输入设备、显示设备、处理设备等。输入设备例如可以包括鼠标、键盘、操作杆等，用于输入用户指令。显示设备可以用于显示摄像机拍摄的图像。

处理设备可以包括但不限于，单片机、处理器、微处理器、DSP芯片、PLC控制器、FPGA电路、集成电路以及状态机等。

远程控制端还可以包括存储设备，用于存储指令、参数或摄像机拍摄的图像等。

下面描述根据本发明的一个实施方式的利用爬壁机器人进行船舶水尺图像拍摄的方法。如图1所示，根据本发明的一个实施方式，提供了一种船舶水尺图像拍摄方法，该方法可以包括：

通过控制爬壁机器人的移动来调整摄像机的视场，使得该视场中包含水尺字符和水面区域；以及

在调整后的视场下，拍摄并存储图像。

利用爬壁机器人作为摄像机的载体，在采集水尺图像时，摄像机与船舶外壳保持相对静止，这样即使船舶由于波浪晃动，也不会影响水尺图像的采集。

该方法可以用于单机法，也可以用于双机法。由于单机法只能先后获得左右视图，外界因素可能在此期间发生变化，使得图像对的参数前后不一致，增加了图像立体化的复杂性，因此优选地可以采用双机法。

如果采用双机法，爬壁机器人可以包括左臂和右臂，在该左臂和右臂上分别安装有左摄像机和右摄像机，所述拍摄并存储图像包括拍摄并存储左右视图对。

其中，调整摄像机的视场可以包括：

在所述水尺字符进入到所述视场后，所述爬壁机器人自动调节其位置，直到水尺字符位于所述视场的中间位置。

具体来说，操作者可以通过上述远程控制端（例如通过其操作杆）控制爬壁机器人沿着船舶外壳向水尺字符移动。摄像机实时进行拍摄，并将拍摄到的图像传送给远程控制端，远程控制端可以例如在其显示设备上显示该图像。当操作者观察到图像中出现水尺字符时，可以选择以下操作中的一种。

第一种操作是操作者可以继续控制机器人慢速移动，使水尺字符位于或接近图像的中间位置。

第二种操作是操作者停止控制机器人，将机器人切换到自动调节状态。这种操作需要给机器人预先设置程序，机器人根据该程序自动移动，使水尺字符位于或接近图像的中间位置。

之后，检测视场中是否包含水面区域，如果检测到视场中不包含水面区域，则所述爬壁机器人向下移动，直到视场中包含水面区域。

在调整完水尺字符在图像中的位置后，需要图像中包含水面区域。检测所述视场中是否包含水面区域可以通过图像直方图来实现，即：

定期绘制所述摄像机拍摄的上一帧图像的直方图，并对直方图的最高等峰值的个数进行检测；以及

当等峰值的个数只有一个时，所述爬壁机器人自动垂直向下移动，直到直方图中出现两个等峰值。

对直方图中最高等峰的检测可以采用本领域公知的方法，这里不再赘述。

图4和图5示出了水尺图像及其对应的直方图。图中，直方图的横坐标是图像灰度值，纵坐标是各像素点灰度值统计数。如图4a和4b所示，图4a中的图像中只有水尺字符，没有包含水面区域，其对应的直方图（图4b）中只有一个最高等峰值。而图5a中的图像既包含水尺字符又包含水面区域，因此其对应的直方图（图5b）包含两个等峰值。通过对直方图的检测，可以得到粗略的目标图像。

为了使后续的处理更加简便，需要对目标图像规范化。可以采用边缘检测来确定水面区域的水线位置。例如，在所述直方图中出现两个等峰值之后，可以利用彩色图像分割检测水面区域的水线位置，所述爬壁机器人根据水线位置垂直移动，直至该水线位于图像的下三分之一处。

上述机器人根据直方图检测向下移动以及根据水线位置垂直移动可以是机器人根据预定程序自动执行的。当然，这也可以通过操作者根据远程控制端的显示设备显示的图像手动操作机器人的移动来完成。

另外，还可以改变基线长度进行拍摄。在本发明的一个实施方式中，该方法还可以包括：

获得物距信息；

通过伸缩所述左臂和右臂来改变基线长度，所述基线为所述左摄像机和右摄像机之间的距离；

根据所述基线长度和物距分别调整左摄像机的光轴与左臂之间的角度以及右摄像机的光轴与右臂之间的角度，以使摄像机的视场与基线长度改变之前的视场保持一致；以及

在改变后的基线长度下，拍摄并存储左右视图对。

基线长度的改变可以通过软件程序来控制，这样可以保证基线长度的准确性。

图3示出了改变基线长度时摄像机的角度调节的示意图。如图3所示，左摄像机向左移动，右摄像机以相同的速度向右移动，需要被拍摄的目标点固定不变，且位于两个摄像机的中线位置。摄像机的光轴与臂之间的调整角度可以通过物距和基线长度来确定。在不同基线长度下，采集同一场景的左右视图对。由于对立体效果都是进行定性的评价，因此可以采用人眼观察，在这些视图对中找出立体效果最逼真的左右视图对，并记录该左右视图对的对应基线长度。该被选定的左右视图对可以被存储用于之后的图像立体化阶段。图6示出了采集的左右视图对。

本领域技术人员可以理解，执行上述机器人自动调节例如其位置、基线长度、摄像机角度等功能的实体可以例如是远程控制端的处理设备，或者可以是设置在机器人上的单独的处理设备。

由于立体拍摄模式直接影响立体拍摄左右视图效果的好坏，出于便于标定且计算简单，并采用广角摄像机的考虑，可以采用会聚光轴的拍摄模式，即使两个摄像机的光轴会聚来获得左右视图对。该模式不会因为摄像机的视场小而造成盲区或者因为视场大而造成图像失真。

此外，在控制机器人移动之前，可能还需要进行一些准备步骤，这些步骤例如包括：

确定机器人状态是否良好，确保不会因船舶外表面的灰尘、盐分等其他物质而造成机器人吸附能力降低，从而使其置于危险状态；

预先设置机械臂长度、基线长度、机械臂与机器人主体之间的角度、摄像机与机械臂之间的角度等，并在整个移动过程中保持不变。

与现有技术相比，本发明提供的方案可以具有如下的至少一个优点和效果：

由于水尺计量的结果受图像采集过程、船舶形状及水尺字符扭曲变形的影响，因此通过双臂爬壁机器人实现船舶水尺图像立体拍摄方法来获得图像的左右视图对以便下一步进行立体化检测船舶水尺是一个有效的方法。

（1）在图像特征提取过程中，总是希望提取出的特征绝对性尽量强，最大限度地不依赖提取场景特征时的条件和环境，就是不随获取场景图像的视点不同而变化，同时减少图像采集设备移动和光照等物理因素对所提取特征的影响。利用双臂爬壁机器人实现船舶外水尺的立体成像方式提供了特征绝对性较强的原始图像。

（2）在对船舶水尺图像进行采集的过程中，港口侧和海水侧采集环境的不同，使用现有的采集方法受外界环境因素影响较大，获得的图像质量层次不一，只能进行定性分析。利用双臂爬壁机器人作为图像采集装置的载体，统一了图像采集环境，且受外界环境影响较小，也不会因人为因素增加干扰。

（3）利用双臂爬壁机器人同时记录左右视图对，保证了图像的精准度，避免了由于波浪造成前后场景的不一致。

（4）获得规范化的船舶水尺图像，利用粗略的直方图检测与边缘检测结果使机器人调整摄像系统的视野区域，降低了后续图像处理的复杂度。

（5）用双臂爬壁机器人实现船舶水尺立体成像方法操作过程简单，容易实现，参数直观，通过寻找立体效果最逼真的左右视图对，有利于后续的立体化与图像处理、分析与理解。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种用于船舶水尺图像拍摄的爬壁机器人，该机器人包括主体，其特征在于，该机器人还包括设置在该主体上的机械臂，该机械臂用于安装摄像机，其中该机械臂的长度、该机械臂与主体之间的角度以及该机械臂与摄像机之间的角度是可调节的。

2.根据权利要求1所述的机器人，其中，所述机械臂包括左臂和右臂，该左臂和右臂用于分别安装一摄像机；以及

该左臂和右臂能够对称地伸缩。

3.一种用于船舶水尺图像拍摄的系统，该系统包括：

根据权利要求1或2所述的爬壁机器人；

设置在该爬壁机器人的机械臂上的摄像机；以及

远程控制端，该远程控制端用于控制该爬壁机器人的移动，调节机械臂的长度、机械臂与主体之间的角度以及该机械臂与摄像机之间的角度，接收并显示所述摄像机拍摄的图像。

4.一种船舶水尺图像拍摄方法，该方法包括：

通过控制权利要求1所述的爬壁机器人的移动来调整摄像机的视场，使得该视场中包含水尺字符和水面区域；以及

在调整后的视场下，拍摄并存储图像。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述爬壁机器人包括左臂和右臂，在该左臂和右臂上分别安装有左摄像机和右摄像机，所述拍摄并存储图像包括拍摄并存储左右视图对。

6.根据权利要求5所述的方法，该方法还包括：

获得物距信息；

通过伸缩所述左臂和右臂来改变基线长度，所述基线为所述左摄像机和右摄像机之间的距离；

根据所述基线长度和物距分别调整左摄像机的光轴与左臂之间的角度以及右摄像机的光轴与右臂之间的角度，以使摄像机的视场与基线长度改变之前的视场保持一致；以及

在改变后的基线长度下，拍摄并存储左右试图对。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，调整摄像机的视场包括：

控制爬壁机器人沿着船舶外壳向水尺区域移动，直到水尺字符进入到摄像机的视场；

检测该视场中是否包含水面区域，如果检测到视场中不包含水面区域，则所述爬壁机器人向下移动，直到视场中包含水面区域。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，调整摄像机的视场还包括：

在所述水尺字符进入到所述视场后，所述爬壁机器人自动调节其位置，直到水尺字符位于所述视场的中间位置。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，检测所述视场中是否包含水面区域包括：

定期绘制所述摄像机拍摄的上一帧图像的直方图，并对直方图的最高等峰值的个数进行检测；以及

当等峰值的个数只有一个时，所述爬壁机器人自动垂直向下移动，直到直方图中出现两个等峰值。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，调整摄像机的视场还包括：

在所述直方图中出现两个等峰值之后，利用彩色图像分割检测水面区域的水线位置，所述爬壁机器人根据水线位置垂直移动，直至该水线位于图像的下三分之一处。

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