CN104567820B - 水下目标中心位置搜索系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水下目标中心位置搜索系统，包括水下CMOS摄像头、目标搜索设备、水下电缆和无线收发设备，所述水下CMOS摄像头用于拍摄水下图像，所述目标搜索设备与所述水下CMOS摄像头连接，对所述水下图像进行图像处理以识别出所述水下图像中的水下目标的中心位置，并将标记了所述中心位置的所述水下图像作为复合图像通过所述水下电缆发送给所述无线收发设备，所述无线收发设备将所述复合图像无线发送给远端的水下目标搜索平台。通过本发明，能够在水下环境下自动获取水下目标的种类、形状和中心位置，为水下探测提供可靠的参考数据。
Description
技术领域
本发明涉及水下探测领域，尤其涉及一种水下目标中心位置搜索系统。
背景技术
随着陆地资源被充分利用和开发，人们为了寻找更多资源，获取更多的经济效益，开始将目光转向水下资源，尤其是海洋资源。然而，水下开发首先要面对的是水下的恶劣环境，甚至一些深度的海域由于不适合人类下海探测，是人类从未触及的区域，因而人们需要在复杂的水下状况下探索未知水域，检测水下地形数据和各种水下目标位置，为日后的水下开发打下坚实的基础。
现有技术中针对水下目标位置探测的技术方案大多是人工下水探测或半人工式的水下探测，前者是潜水员在人类可下潜深度的水域内进行潜水，携带摄像机拍摄水下目标位置，后者是在人类不可下潜深度的水域，下潜无人潜水设备进行水下图像采集，无人潜水设备是根据水面上的操作人员的指令执行各种潜水操作。
这两种现有的水下目标探测方式都存在弊端，前者探测水域受限，对潜水员的人身安全造成威胁，后者仍脱离不了人工操作的参与，交互时间长，而且，二者都缺少有效的水下目标探测手段，导致水下目标探测效率不高，费时费力。
因此，需要一种新的水下目标搜索系统，能够不需要人员的任何操作，自动在水下检测到水下目标的中心位置和水下目标的类型和形状，并能够实时传回附有水下目标特征的水下图像，回传数据可视性强，便于水下开发单位在水下开发时参考。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种水下目标中心位置搜索系统，引用换能设备和超声波测距设备实时确定搜索系统的水下位置，引用适合水下环境的图像采集和识别技术准确检测水下目标的形状、中心位置和类型，还引用无线通信技术确保通信顺畅，整个搜索过程不需要人力参与，提高了水下搜索系统的智能化水平。
根据本发明的一方面，提供了一种水下目标中心位置搜索系统，所述搜索系统包括水下CMOS摄像头、目标搜索设备、水下电缆和无线收发设备，所述水下CMOS摄像头用于拍摄水下图像，所述目标搜索设备与所述水下CMOS摄像头连接，对所述水下图像进行图像处理以识别出所述水下图像中的水下目标的中心位置，并将标记了所述中心位置的所述水下图像作为复合图像通过所述水下电缆发送给所述无线收发设备，所述无线收发设备将所述复合图像无线发送给远端的水下目标搜索平台。
更具体地，在所述水下目标中心位置搜索系统中，还包括：封闭式外壳，用于容纳用户输入设备、移动硬盘、CMOS摄像头、目标搜索设备、换能设备和超声波测距传感设备；用户输入设备，用于预先存储二值化阈值和黑点数量阈值，所述二值化阈值在0-255之间，所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像；移动硬盘，与所述用户输入设备连接，用于接收并存储所述二值化阈值和所述黑点数量阈值，还用于存储各种目标的图像模板，所述各种目标的图像模板为各种目标的基准二值化图像；换能设备，由多个分设在所述封闭式外壳底部不同位置的换能单元组成，每一个换能单元向水底发射声波，通过测量声波从发射声波到接收水底回波之间时间间隔获得所述封闭式外壳底部到水底的距离值，将多个换能单元测量到的所述封闭式外壳底部不同位置距离水底最近的距离值作为水底距离输出；超声波测距传感设备，由多个在所述封闭式外壳侧面且与所述水下CMOS摄像头并排放置的超声波测距传感单元组成，每一个超声波测距传感单元用于检测所述水下CMOS摄像头前方目标距离所述封闭式外壳侧面的距离，并将多个超声波测距传感单元测量到的、所述水下CMOS摄像头前方目标到所述封闭式外壳侧面的距离中最近的距离值作为前方目标距离输出；所述目标搜索设备包括噪声滤波器件、灰度化处理器件、边缘检测器件、图像组合器件和目标匹配器件，所述噪声滤波器件与所述水下CMOS摄像头连接，用于将所述水下图像执行高斯平滑滤波，以输出水下平滑图像，所述灰度化处理器件与所述噪声滤波器件连接，用于将所述水下平滑图像灰度化处理，以输出水下灰度图像，所述边缘检测器件与所述灰度化处理器件和所述移动硬盘连接，基于所述二值化阈值将所述水下灰度图像处理为水下二值化图像，所述边缘检测器件对所述水下二值化图像的每一列像素进行检测，如果一列像素中黑点像素的数量大于等于所述黑点数量阈值，则该列像素为目标像素列，所述边缘检测器件对所述水下二值化图像的每一行像素进行检测，如果一行像素中黑点像素的数量大于等于所述黑点数量阈值，则该行像素为目标像素行，基于所有的目标像素列和所有的目标像素行组成目标形状，并将所述目标形状的形心作为所述水下图像中的水下目标的中心位置输出，所述图像组合器件与所述水下CMOS摄像头和所述边缘检测器件分别连接，用于在所述水下图像上标记所述中心位置以作为复合图像输出，所述目标匹配器件与所述移动硬盘和所述边缘检测器件连接，将所述水下二值化图像与所述各种目标的图像模板逐一匹配，以获得匹配到的水下目标的种类；所述无线收发设备通过水下电缆接收所述图像组合器件输出的复合图像和所述目标匹配器件输出的水下目标种类，并将所述复合图像和所述水下目标种类通过双向无线通信链路无线发送给所述水下目标搜索平台，所述无线收发设备还用于接收所述水下目标搜索平台发送的控制指令；其中，所述无线收发设备还通过水下电缆与所述换能设备和所述超声波测距传感设备分别连接，以将所述水底距离和所述前方目标距离通过双向无线通信链路无线发送给所述水下目标搜索平台；所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像包括，将所述二值化阈值与灰度化图像中的每一个像素的灰度值比较，灰度值小于所述二值化阈值的像素，用0表示该像素的像素值，该像素为黑点，灰度值大于等于所述二值化阈值的像素，用1表示该像素的像素值，该像素为白点。
更具体地，在所述水下目标中心位置搜索系统中，还包括：水下电源，用于为所述搜索系统提供除了水下电源以外的各个水下用电设备的电力供应。
更具体地，在所述水下目标中心位置搜索系统中，所述无线收发设备为GPRS无线通信设备、3G无线通信设备或4G无线通信设备中的一种。
更具体地，在所述水下目标中心位置搜索系统中，所述用户输入设备为键盘和触摸屏。
更具体地，在所述水下目标中心位置搜索系统中，所述噪声滤波器件、所述灰度化处理器件、所述边缘检测器件、所述图像组合器件和所述目标匹配器件分别采用独立的FPGA芯片来实现。
附图说明
以下将结合附图对本发明的实施方案进行描述，其中：
图1为根据本发明实施方案示出的水下目标中心位置搜索系统的结构方框图。
图2为根据本发明实施方案示出的水下目标中心位置搜索系统的目标搜索设备的结构方框图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的水下目标中心位置搜索系统的实施方案进行详细说明。
人类社会的发展，离不开对各种资源的开发和利用。在陆地资源逐渐枯竭的今天，人们把目光投向了水下，尤其是深海大洋。海底资源除了人们耳熟能详的锰结核、深海油气，还有热液矿床，以及当前最炙手可热的天然气水合物。天然气水合物的储量极为巨大。据估计，把人类已经用掉的和还没有开发石油、煤、天然气加在一起，还赶不上天然气水合物中有机碳总含量的一半。如果这个估计不错，那无疑是人类的福音，因为他很可能将成为新世纪的新能源。
为了保证水下开发工作的顺利进行，首先要对水下地形和目标做到准确探测，这时，水下探测器就派上了用场。水下探测器是视频水下探测器、管道探测器、水下监控器、水下监视器的统称。水下探测器适合使用在休闲度假、海水垂钓、海水养殖、海底勘测、海底作业、潜水探险、井下观查等多种用途。
目前的水下探测器或需要潜水员操作、危险而且耗费人力，或需要人员不断地远程操控水下探测器、交互时间过长，而且目前的水下探测器都缺乏有针对性的水下目标定位和类型识别手段，导致水下探测效率低下，智能化水平不高。
针对上述不足，本发明搭建了一种水下目标中心位置搜索系统，在不需要人工操作的情况下，不仅能够高效识别水下目标形状和类型，而且能够与探索系统相关的更多的位置数据，保证水下探测设备的高效运行。
图1为根据本发明实施方案示出的水下目标中心位置搜索系统的结构方框图，所述搜索系统包括：水下CMOS摄像头1、目标搜索设备2、水下电缆4和无线收发设备3，所述水下CMOS摄像头1用于拍摄水下图像，所述目标搜索设备2与所述水下CMOS摄像头1连接，对所述水下图像进行图像处理以识别出所述水下图像中的水下目标的中心位置，并将标记了所述中心位置的所述水下图像作为复合图像通过所述水下电缆4发送给所述无线收发设备3，所述无线收发设备3将所述复合图像无线发送给远端的水下目标搜索平台。
接着，继续对本发明的水下目标中心位置搜索系统的具体结构进行进一步的说明。
所述搜索系统还包括：封闭式外壳，用于容纳用户输入设备、移动硬盘、CMOS摄像头1、目标搜索设备2、换能设备和超声波测距传感设备。
所述搜索系统还包括：用户输入设备，用于预先存储二值化阈值和黑点数量阈值，所述二值化阈值在0-255之间，所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像。
所述搜索系统还包括：移动硬盘，与所述用户输入设备连接，用于接收并存储所述二值化阈值和所述黑点数量阈值，还用于存储各种目标的图像模板，所述各种目标的图像模板为各种目标的基准二值化图像。
所述搜索系统还包括：换能设备，由多个分设在所述封闭式外壳底部不同位置的换能单元组成，每一个换能单元向水底发射声波，通过测量声波从发射声波到接收水底回波之间时间间隔获得所述封闭式外壳底部到水底的距离值，将多个换能单元测量到的所述封闭式外壳底部不同位置距离水底最近的距离值作为水底距离输出。
所述搜索系统还包括：超声波测距传感设备，由多个在所述封闭式外壳侧面且与所述水下CMOS摄像头1并排放置的超声波测距传感单元组成，每一个超声波测距传感单元用于检测所述水下CMOS摄像头1前方目标距离所述封闭式外壳侧面的距离，并将多个超声波测距传感单元测量到的、所述水下CMOS摄像头1前方目标到所述封闭式外壳侧面的距离中最近的距离值作为前方目标距离输出。
如图2所示，所述目标搜索设备2包括噪声滤波器件21、灰度化处理器件22、边缘检测器件23、图像组合器件24和目标匹配器件25，所述噪声滤波器件21与所述水下CMOS摄像头1连接，用于将所述水下图像执行高斯平滑滤波，以输出水下平滑图像，所述灰度化处理器件22与所述噪声滤波器件21连接，用于将所述水下平滑图像灰度化处理，以输出水下灰度图像。
所述边缘检测器件23与所述灰度化处理器件22和所述移动硬盘连接，基于所述二值化阈值将所述水下灰度图像处理为水下二值化图像，所述边缘检测器件23对所述水下二值化图像的每一列像素进行检测，如果一列像素中黑点像素的数量大于等于所述黑点数量阈值，则该列像素为目标像素列，所述边缘检测器件23对所述水下二值化图像的每一行像素进行检测，如果一行像素中黑点像素的数量大于等于所述黑点数量阈值，则该行像素为目标像素行，基于所有的目标像素列和所有的目标像素行组成目标形状，并将所述目标形状的形心作为所述水下图像中的水下目标的中心位置输出。
所述图像组合器件24与所述水下CMOS摄像头1和所述边缘检测器件23分别连接，用于在所述水下图像上标记所述中心位置以作为复合图像输出，所述目标匹配器件25与所述移动硬盘和所述边缘检测器件23连接，将所述水下二值化图像与所述各种目标的图像模板逐一匹配，以获得匹配到的水下目标的种类。
所述无线收发设备3通过水下电缆接收所述图像组合器件24输出的复合图像和所述目标匹配器件25输出的水下目标种类，并将所述复合图像和所述水下目标种类通过双向无线通信链路无线发送给所述水下目标搜索平台，所述无线收发设备3还用于接收所述水下目标搜索平台发送的控制指令；所述无线收发设备还通过水下电缆4与所述换能设备和所述超声波测距传感设备分别连接，以将所述水底距离和所述前方目标距离通过双向无线通信链路无线发送给所述水下目标搜索平台。
其中，所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像包括，将所述二值化阈值与灰度化图像中的每一个像素的灰度值比较，灰度值小于所述二值化阈值的像素，用0表示该像素的像素值，该像素为黑点，灰度值大于等于所述二值化阈值的像素，用1表示该像素的像素值，该像素为白点。
其中，所述搜索系统还可以包括：水下电源，用于为所述搜索系统提供除了水下电源以外的各个水下用电设备的电力供应，所述无线收发设备3可选为GPRS无线通信设备、3G无线通信设备或4G无线通信设备中的一种，所述用户输入设备可选为键盘和触摸屏，还可以将所述噪声滤波器件21、所述灰度化处理器件22、所述边缘检测器件23、所述图像组合器件24和所述目标匹配器件25分别采用独立的小型FPGA芯片来实现，或者可替换地，将所述噪声滤波器件21、所述灰度化处理器件22、所述边缘检测器件23、所述图像组合器件24和所述目标匹配器件25集成在一块大型的FPGA芯片中。
另外，FPGA(Field－Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，他是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，他解决了定制电路的不足，也克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器组成。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让他可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。CPLD和FPGA另外一个区别是大多数的FPGA含有高层次的内置模块(比如加法器和乘法器)和内置的记忆体。因此一个有关的重要区别是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或者动态重新配置而改变。一些FPGA可以让设备的一部分重新编辑而其他部分继续正常运行。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。
现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列(如PAL，GAL及CPLD器件)相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。
采用本发明的水下目标中心位置搜索系统，针对现有水下目标搜索系统需要人工参与操作、搜索效率不高、智能化水平不高的技术问题，通过换能设备和超声波探测设备为水下探测提供更多有价值的参考数据，通过增加高精度有针对性的水下图像采集和识别设备确定水下目标形状、中心位置和类型，通过无线通讯技术保障水上水下通信的畅通，从而保证本发明的搜索系统能在所有水域下全自动地运行，拓宽了所述水下搜索系统的应用范围。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
Claims (1)
1.一种水下目标中心位置搜索系统，其特征在于，所述搜索系统包括水下CMOS摄像头、目标搜索设备、水下电缆和无线收发设备，所述水下CMOS摄像头用于拍摄水下图像，所述目标搜索设备与所述水下CMOS摄像头连接，对所述水下图像进行图像处理以识别出所述水下图像中的水下目标的中心位置，并将标记了所述中心位置的所述水下图像作为复合图像通过所述水下电缆发送给所述无线收发设备，所述无线收发设备将所述复合图像无线发送给远端的水下目标搜索平台；
所述搜索系统还包括：
封闭式外壳，用于容纳用户输入设备、移动硬盘、CMOS摄像头、目标搜索设备、换能设备和超声波测距传感设备；
用户输入设备，用于预先存储二值化阈值和黑点数量阈值，所述二值化阈值在0-255之间，所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像；
移动硬盘，与所述用户输入设备连接，用于接收并存储所述二值化阈值和所述黑点数量阈值，还用于存储各种目标的图像模板，所述各种目标的图像模板为各种目标的基准二值化图像；
换能设备，由多个分设在所述封闭式外壳底部不同位置的换能单元组成，每一个换能单元向水底发射声波，通过测量声波从发射声波到接收水底回波之间时间间隔获得所述封闭式外壳底部到水底的距离值，将多个换能单元测量到的所述封闭式外壳底部不同位置距离水底最近的距离值作为水底距离输出；
超声波测距传感设备，由多个在所述封闭式外壳侧面且与所述水下CMOS摄像头并排放置的超声波测距传感单元组成，每一个超声波测距传感单元用于检测所述水下CMOS摄像头前方目标距离所述封闭式外壳侧面的距离，并将多个超声波测距传感单元测量到的、所述水下CMOS摄像头前方目标到所述封闭式外壳侧面的距离中最近的距离值作为前方目标距离输出；
所述目标搜索设备包括噪声滤波器件、灰度化处理器件、边缘检测器件、图像组合器件和目标匹配器件，所述噪声滤波器件与所述水下CMOS摄像头连接，用于将所述水下图像执行高斯平滑滤波，以输出水下平滑图像，所述灰度化处理器件与所述噪声滤波器件连接，用于将所述水下平滑图像灰度化处理，以输出水下灰度图像，所述边缘检测器件与所述灰度化处理器件和所述移动硬盘连接，基于所述二值化阈值将所述水下灰度图像处理为水下二值化图像，所述边缘检测器件对所述水下二值化图像的每一列像素进行检测，如果一列像素中黑点像素的数量大于等于所述黑点数量阈值，则该列像素为目标像素列，所述边缘检测器件对所述水下二值化图像的每一行像素进行检测，如果一行像素中黑点像素的数量大于等于所述黑点数量阈值，则该行像素为目标像素行，基于所有的目标像素列和所有的目标像素行组成目标形状，并将所述目标形状的形心作为所述水下图像中的水下目标的中心位置输出，所述图像组合器件与所述水下CMOS摄像头和所述边缘检测器件分别连接，用于在所述水下图像上标记所述中心位置以作为复合图像输出，所述目标匹配器件与所述移动硬盘和所述边缘检测器件连接，将所述水下二值化图像与所述各种目标的图像模板逐一匹配，以获得匹配到的水下目标的种类；
所述无线收发设备通过水下电缆接收所述图像组合器件输出的复合图像和所述目标匹配器件输出的水下目标种类，并将所述复合图像和所述水下目标种类通过双向无线通信链路无线发送给所述水下目标搜索平台，所述无线收发设备还用于接收所述水下目标搜索平台发送的控制指令；
其中，所述无线收发设备还通过水下电缆与所述换能设备和所述超声波测距传感设备分别连接，以将所述水底距离和所述前方目标距离通过双向无线通信链路无线发送给所述水下目标搜索平台；
其中，所述二值化阈值用于将灰度化图像处理为二值化图像包括，将所述二值化阈值与灰度化图像中的每一个像素的灰度值比较，灰度值小于所述二值化阈值的像素，用0表示该像素的像素值，该像素为黑点，灰度值大于等于所述二值化阈值的像素，用1表示该像素的像素值，该像素为白点；
水下电源，用于为所述搜索系统提供除了水下电源以外的各个水下用电设备的电力供应；
所述无线收发设备为GPRS无线通信设备、3G无线通信设备或4G无线通信设备中的一种；
所述用户输入设备为键盘和触摸屏。
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