CN105096325A - 基于激光图像的水下设备检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光图像的水下设备检测系统，用于水下设备识别，所述检测系统包括激光成像设备和水下设备检测仪，所述激光成像设备基于声纳图像处理结果启动对水下激光图像的拍摄，所述水下设备检测仪与所述激光成像设备连接，对所述水下激光图像进行设备破损程度检测以确定是否发出破损严重报警信号。通过本发明，能够基于高质量的激光图像自动、准确、高效地检测水下设备的破损程度。

Description

基于激光图像的水下设备检测系统

技术领域

本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种基于激光图像的水下设备检测系统。

背景技术

水下设备的破损等级决定了水下设备是否能够持续使用，是水下设备管理部门最为看重的数据之一。然而，由于现有技术中水下成像技术控制方式粗糙，缺乏有效的水下目标识别设备，导致无法对水下设备的破损程度进行精确检测。

为此，需要一种基于激光图像的水下设备检测系统，能够通过改进现有的激光成像设备和水下设备检测仪，使得能够适应水下工作环境，提供更高精度的水下设备状态数据，从而对水下设备管理部门的后期维护更具有参考意义。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种基于激光图像的水下设备检测系统，采用声纳和声纳图像处理设备控制水下激光成像设备的快门，采用包含边缘检测技术的高精度图像识别设备更准确地检测出水下设备，同时，辅以水下定位设置和破损等级对照表，能够真实地确定水下设备的破损等级。

根据本发明的一方面，提供了一种基于激光图像的水下设备检测系统，用于水下设备识别，所述检测系统包括激光成像设备和水下设备检测仪，所述激光成像设备基于声纳图像处理结果启动对水下激光图像的拍摄，所述水下设备检测仪与所述激光成像设备连接，对所述水下激光图像进行设备破损程度检测以确定是否发出破损严重报警信号。

更具体地，在所述基于激光图像的水下设备检测系统中，还包括：静态存储设备，设置在所述检测系统主体架构上，预先存储了亮度阈值上限和亮度阈值下限，还用于预先存储破损等级对照表，所述破损等级对照表保存了每一个破损等级所对应的破损区域所处曲线的周长、面积和形状参数；声纳设备，设置在所述检测系统主体架构上，用于对水下目标执行声纳图像采集，以获得声纳图像；声纳图像处理设备，设置在所述检测系统主体架构上，与所述声纳设备和所述静态存储设备分别连接，包括第一检测子设备、第二检测子设备和目标距离检测子设备，所述第一检测子设备与所述声纳设备和所述静态存储设备分别连接，用于采用亮度阈值上限遍历声纳图像以分割出核心目标区域；所述第二检测子设备与所述第一检测子设备和所述静态存储设备分别连接，用于以所述核心目标区域的边缘点作为种子点，利用亮度阈值下限对核心目标区域附近的像素点进行亮度判断，以获得并分割出最终目标区域；所述目标距离检测子设备与所述第二检测子设备连接，计算最终目标区域的中心点到声纳图像检测原点的距离并作为目标距离输出；所述激光成像设备，设置在所述检测系统主体架构上，包括激光器、探测器和微控制器，所述激光器对水下目标发出激光束，以在所述激光束被水下目标反射到所述探测器时，便于所述探测器的拍摄，所述微控制器与所述声纳图像处理设备、所述激光器和所述探测器分别连接，基于目标距离和激光在水下传播速度确定所述探测器快门的选通时间，并在选通时间到达时，选通所述探测器的快门，触发所述探测器对水下目标进行拍摄，以获得水下激光图像；所述水下设备检测仪包括阈值分析设备和破损区域特征提取设备；所述阈值分析设备与所述激光成像设备连接，从0-255依次选择灰度值作为备选灰度值，使用备选灰度值将所述水下激光图像分割为备选目标区域图像和备选背景区域图像；基于备选目标区域图像像素总数、备选目标区域图像像素灰度平均值、备选背景区域图像像素总数和备选背景区域图像像素灰度平均值计算灰度值类间方差值，具体计算为：备选目标区域图像像素灰度平均值减去备选背景区域图像像素灰度平均值，获得的差的平方值乘以备选目标区域图像像素总数和备选背景区域图像像素总数即为灰度值类间方差值；将最大灰度值类间方差值所对应的备选灰度值作为分割阈值输出；破损区域特征提取设备，与所述阈值分析设备、所述水下激光图像和所述静态存储设备分别连接以获得所述分割阈值，包括背景分割子设备、破损区域连通子设备、特征识别子设备和破损等级识别子设备；所述背景分割子设备与所述阈值分析设备和所述水下激光图像分别连接，使用分割阈值将所述水下激光图像分割为最终目标区域图像和最终背景区域图像；所述破损区域连通子设备与所述背景分割子设备连接，用于基于最终目标区域图像中区域边界上相邻像素的连通性，确定将区域包围起来的封闭曲线；所述特征识别子设备与所述破损区域连通子设备连接，基于所述封闭曲线确定破损区域的周长、面积和形状参数，所述形状参数等于周长的平方除以面积的4π；所述破损等级识别子设备与所述阈值分析设备和所述静态存储设备分别连接，基于确定的周长、面积和形状参数在破损等级对照表中查找对应的破损等级以作为目标破损等级输出；数字信号处理器，设置在所述检测系统主体架构上，与所述水下设备检测仪连接，用于在接收到所述目标破损等级时，将所述水下激光图像执行MPEG-4压缩编码以获得压缩图像，并将所述压缩图像和所述目标破损等级通过水下电缆传送到水上处理中心；其中，所述背景分割子设备、所述破损区域连通子设备、所述特征识别子设备和所述破损等级识别子设备分别采用不同的FPGA芯片来实现。

更具体地，在所述基于激光图像的水下设备检测系统中：所述水下设备检测仪设置在所述检测系统主体架构上，与所述激光成像设备连接。

更具体地，在所述基于激光图像的水下设备检测系统中，所述检测系统还包括：GPS定位设备，设置在所述检测系统主体架构上方的水面浮标上，与所述数字信号处理器连接，用于在接收到所述目标破损等级时，将接收到的GPS定位数据发送到水上处理中心。

更具体地，在所述基于激光图像的水下设备检测系统中：所述GPS定位设备包括太阳能光伏板，用于为所述GPS定位设备提供电力供应。

更具体地，在所述基于激光图像的水下设备检测系统中：所述数字信号处理器为TI公司的DSP芯片，所述静态存储设备为SDRAM。

更具体地，在所述基于激光图像的水下设备检测系统中：所述数字信号处理器在接收到所述目标破损等级大于等于预设破损等级阈值时，向所述水上处理中心发送水下设备破损报警信号。

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基于激光图像的水下设备检测系统的结构方框图。

附图标记：1激光成像设备；2水下设备检测仪

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于激光图像的水下设备检测系统的实施方案进行详细说明。

对于水下设备的目标检测，由于现有技术中的激光成像控制技术较为粗糙，而且缺乏能够适应水下工作环境的图像识别定位设备，使得水下设备的状态检测精度不高，无法真正实施。

为了克服上述不足，本发明搭建了一种基于激光图像的水下设备检测系统，采用声纳和声纳图像处理设备准确控制水下激光成像，而且辅以有针对性的水下定位技术和水下目标识别技术，使得水下设备缺陷等级检测成为可能。

图1为根据本发明实施方案示出的基于激光图像的水下设备检测系统的结构方框图，所述检测系统用于水下设备识别，包括激光成像设备和水下设备检测仪，所述激光成像设备基于声纳图像处理结果启动对水下激光图像的拍摄，所述水下设备检测仪与所述激光成像设备连接，对所述水下激光图像进行设备破损程度检测以确定是否发出破损严重报警信号。

接着，继续对本发明的基于激光图像的水下设备检测系统的具体结构进行进一步的说明。

所述检测系统还包括：静态存储设备，设置在所述检测系统主体架构上，预先存储了亮度阈值上限和亮度阈值下限，还用于预先存储破损等级对照表，所述破损等级对照表保存了每一个破损等级所对应的破损区域所处曲线的周长、面积和形状参数。

所述检测系统还包括：声纳设备，设置在所述检测系统主体架构上，用于对水下目标执行声纳图像采集，以获得声纳图像。

所述检测系统还包括：声纳图像处理设备，设置在所述检测系统主体架构上，与所述声纳设备和所述静态存储设备分别连接，包括第一检测子设备、第二检测子设备和目标距离检测子设备，所述第一检测子设备与所述声纳设备和所述静态存储设备分别连接，用于采用亮度阈值上限遍历声纳图像以分割出核心目标区域；所述第二检测子设备与所述第一检测子设备和所述静态存储设备分别连接，用于以所述核心目标区域的边缘点作为种子点，利用亮度阈值下限对核心目标区域附近的像素点进行亮度判断，以获得并分割出最终目标区域；所述目标距离检测子设备与所述第二检测子设备连接，计算最终目标区域的中心点到声纳图像检测原点的距离并作为目标距离输出。

所述激光成像设备，设置在所述检测系统主体架构上，包括激光器、探测器和微控制器，所述激光器对水下目标发出激光束，以在所述激光束被水下目标反射到所述探测器时，便于所述探测器的拍摄，所述微控制器与所述声纳图像处理设备、所述激光器和所述探测器分别连接，基于目标距离和激光在水下传播速度确定所述探测器快门的选通时间，并在选通时间到达时，选通所述探测器的快门，触发所述探测器对水下目标进行拍摄，以获得水下激光图像。

所述水下设备检测仪包括阈值分析设备和破损区域特征提取设备；所述阈值分析设备与所述激光成像设备连接，从0-255依次选择灰度值作为备选灰度值，使用备选灰度值将所述水下激光图像分割为备选目标区域图像和备选背景区域图像；基于备选目标区域图像像素总数、备选目标区域图像像素灰度平均值、备选背景区域图像像素总数和备选背景区域图像像素灰度平均值计算灰度值类间方差值，具体计算为：备选目标区域图像像素灰度平均值减去备选背景区域图像像素灰度平均值，获得的差的平方值乘以备选目标区域图像像素总数和备选背景区域图像像素总数即为灰度值类间方差值；将最大灰度值类间方差值所对应的备选灰度值作为分割阈值输出。

破损区域特征提取设备，与所述阈值分析设备、所述水下激光图像和所述静态存储设备分别连接以获得所述分割阈值，包括背景分割子设备、破损区域连通子设备、特征识别子设备和破损等级识别子设备；所述背景分割子设备与所述阈值分析设备和所述水下激光图像分别连接，使用分割阈值将所述水下激光图像分割为最终目标区域图像和最终背景区域图像；所述破损区域连通子设备与所述背景分割子设备连接，用于基于最终目标区域图像中区域边界上相邻像素的连通性，确定将区域包围起来的封闭曲线；所述特征识别子设备与所述破损区域连通子设备连接，基于所述封闭曲线确定破损区域的周长、面积和形状参数，所述形状参数等于周长的平方除以面积的4π；所述破损等级识别子设备与所述阈值分析设备和所述静态存储设备分别连接，基于确定的周长、面积和形状参数在破损等级对照表中查找对应的破损等级以作为目标破损等级输出。

所述检测系统还包括：数字信号处理器，设置在所述检测系统主体架构上，与所述水下设备检测仪连接，用于在接收到所述目标破损等级时，将所述水下激光图像执行MPEG-4压缩编码以获得压缩图像，并将所述压缩图像和所述目标破损等级通过水下电缆传送到水上处理中心。

所述背景分割子设备、所述破损区域连通子设备、所述特征识别子设备和所述破损等级识别子设备分别采用不同的FPGA芯片来实现。

可选地，在所述基于激光图像的水下设备检测系统中：所述水下设备检测仪设置在所述检测系统主体架构上，与所述激光成像设备连接；所述检测系统还包括：GPS定位设备，设置在所述检测系统主体架构上方的水面浮标上，与所述数字信号处理器连接，用于在接收到所述目标破损等级时，将接收到的GPS定位数据发送到水上处理中心；所述GPS定位设备包括太阳能光伏板，用于为所述GPS定位设备提供电力供应；所述数字信号处理器为TI公司的DSP芯片，所述静态存储设备为SDRAM；所述数字信号处理器在接收到所述目标破损等级大于等于预设破损等级阈值时，向所述水上处理中心发送水下设备破损报警信号。

另外，FPGA(Field－ProgrammableGateArray)，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。他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，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip－flop)或者其他更加完整的记忆块。系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC(专用集成电路)的速度要慢，实现同样的功能比ASIC电路面积要大。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice，复杂可编程逻辑器件)。FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于PC或单片机(无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构)的顺序操作有很大区别。

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。

采用本发明的基于激光图像的水下设备检测系统，针对现有技术中激光成像控制困难以及缺乏有针对性的图像检测识别设备的技术问题，通过改进现有的激光成像设备和水下设备识别设备以及水下定位设备，确定水下设备的破损程度，并进一步给出水下破损等级，为水下设备管理部门的后续工作提供方便。

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 (7)

1.一种基于激光图像的水下设备检测系统，用于水下设备识别，所述检测系统包括激光成像设备和水下设备检测仪，所述激光成像设备基于声纳图像处理结果启动对水下激光图像的拍摄，所述水下设备检测仪与所述激光成像设备连接，对所述水下激光图像进行设备破损程度检测以确定是否发出破损严重报警信号。

2.如权利要求1所述的基于激光图像的水下设备检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括：

静态存储设备，设置在所述检测系统主体架构上，预先存储了亮度阈值上限和亮度阈值下限，还用于预先存储破损等级对照表，所述破损等级对照表保存了每一个破损等级所对应的破损区域所处曲线的周长、面积和形状参数；

声纳设备，设置在所述检测系统主体架构上，用于对水下目标执行声纳图像采集，以获得声纳图像；

声纳图像处理设备，设置在所述检测系统主体架构上，与所述声纳设备和所述静态存储设备分别连接，包括第一检测子设备、第二检测子设备和目标距离检测子设备，所述第一检测子设备与所述声纳设备和所述静态存储设备分别连接，用于采用亮度阈值上限遍历声纳图像以分割出核心目标区域；所述第二检测子设备与所述第一检测子设备和所述静态存储设备分别连接，用于以所述核心目标区域的边缘点作为种子点，利用亮度阈值下限对核心目标区域附近的像素点进行亮度判断，以获得并分割出最终目标区域；所述目标距离检测子设备与所述第二检测子设备连接，计算最终目标区域的中心点到声纳图像检测原点的距离并作为目标距离输出；

所述激光成像设备，设置在所述检测系统主体架构上，包括激光器、探测器和微控制器，所述激光器对水下目标发出激光束，以在所述激光束被水下目标反射到所述探测器时，便于所述探测器的拍摄，所述微控制器与所述声纳图像处理设备、所述激光器和所述探测器分别连接，基于目标距离和激光在水下传播速度确定所述探测器快门的选通时间，并在选通时间到达时，选通所述探测器的快门，触发所述探测器对水下目标进行拍摄，以获得水下激光图像；

所述水下设备检测仪包括阈值分析设备和破损区域特征提取设备；

所述阈值分析设备与所述激光成像设备连接，从0-255依次选择灰度值作为备选灰度值，使用备选灰度值将所述水下激光图像分割为备选目标区域图像和备选背景区域图像；基于备选目标区域图像像素总数、备选目标区域图像像素灰度平均值、备选背景区域图像像素总数和备选背景区域图像像素灰度平均值计算灰度值类间方差值，具体计算为：备选目标区域图像像素灰度平均值减去备选背景区域图像像素灰度平均值，获得的差的平方值乘以备选目标区域图像像素总数和备选背景区域图像像素总数即为灰度值类间方差值；将最大灰度值类间方差值所对应的备选灰度值作为分割阈值输出；

破损区域特征提取设备，与所述阈值分析设备、所述水下激光图像和所述静态存储设备分别连接以获得所述分割阈值，包括背景分割子设备、破损区域连通子设备、特征识别子设备和破损等级识别子设备；所述背景分割子设备与所述阈值分析设备和所述水下激光图像分别连接，使用分割阈值将所述水下激光图像分割为最终目标区域图像和最终背景区域图像；所述破损区域连通子设备与所述背景分割子设备连接，用于基于最终目标区域图像中区域边界上相邻像素的连通性，确定将区域包围起来的封闭曲线；所述特征识别子设备与所述破损区域连通子设备连接，基于所述封闭曲线确定破损区域的周长、面积和形状参数，所述形状参数等于周长的平方除以面积的4π；所述破损等级识别子设备与所述阈值分析设备和所述静态存储设备分别连接，基于确定的周长、面积和形状参数在破损等级对照表中查找对应的破损等级以作为目标破损等级输出；

数字信号处理器，设置在所述检测系统主体架构上，与所述水下设备检测仪连接，用于在接收到所述目标破损等级时，将所述水下激光图像执行MPEG-4压缩编码以获得压缩图像，并将所述压缩图像和所述目标破损等级通过水下电缆传送到水上处理中心；

其中，所述背景分割子设备、所述破损区域连通子设备、所述特征识别子设备和所述破损等级识别子设备分别采用不同的FPGA芯片来实现。

3.如权利要求2所述的基于激光图像的水下设备检测系统，其特征在于：

所述水下设备检测仪设置在所述检测系统主体架构上，与所述激光成像设备连接。

4.如权利要求2所述的基于激光图像的水下设备检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括：

GPS定位设备，设置在所述检测系统主体架构上方的水面浮标上，与所述数字信号处理器连接，用于在接收到所述目标破损等级时，将接收到的GPS定位数据发送到水上处理中心。

5.如权利要求4所述的基于激光图像的水下设备检测系统，其特征在于：

所述GPS定位设备包括太阳能光伏板，用于为所述GPS定位设备提供电力供应。

6.如权利要求2所述的基于激光图像的水下设备检测系统，其特征在于：

所述数字信号处理器为TI公司的DSP芯片，所述静态存储设备为SDRAM。

7.如权利要求2所述的基于激光图像的水下设备检测系统，其特征在于：

所述数字信号处理器在接收到所述目标破损等级大于等于预设破损等级阈值时，向所述水上处理中心发送水下设备破损报警信号。