CN105184769B - 基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统，包括潜水器主体、清晰化分析设备和AT89C51单片机，所述清晰化分析设备和所述AT89C51单片机都位于所述潜水器主体上，所述清晰化分析设备用于对水下图像执行清晰化处理，并检测水下设备的缺陷等级，所述AT89C51单片机与所述清晰化分析设备连接，用于基于所述缺陷等级确定是否进行相应的缺陷报警。通过本发明，能够对水下图像进行清晰化处理，并能够自动检测到水下设备是否存在缺陷。

Description

基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统

技术领域

本发明涉及数字图像领域，尤其涉及一种基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统。

背景技术

随着水下设备的不断增加，水下设备的维护也变得益发重要，由于水下环境的特殊，长期水体侵蚀下，水下设备容易产生缺陷，如果严重程度过高，则会影响到相关建筑的安全性，甚至导致相关建筑坍陷，造成巨大的经济损失和人身伤亡。

现有技术中由于以下原因导致尚未出现机械式水下设备缺陷检测：1、水下图像受散射光影响严重；2、水下定位困难；3、缺乏专用的潜水器装置；4、缺乏专用的水下设备缺陷检测装置。

为此，本发明提出了一种基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统，通过分别对上述四个技术问题的研究，逐一解决上述技术问题，从而使得潜水器机械化水下设备缺陷检测成为可能。

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清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统，改造现有的潜水器结构，并增加能够去除水下散射光的清晰化处理设备，增加专门用于水下设备缺陷检测的图像处理设备，并辅以水下定位设备，从而保证潜水器的水下设备缺陷检测的正常进行。

根据本发明的一方面，提供了一种基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统，所述识别系统包括潜水器主体、清晰化分析设备和AT89C51单片机，所述清晰化分析设备和所述AT89C51单片机都位于所述潜水器主体上，所述清晰化分析设备用于对水下图像执行清晰化处理，并检测水下设备的缺陷等级，所述AT89C51单片机与所述清晰化分析设备连接，用于基于所述缺陷等级确定是否进行相应的缺陷报警。

更具体地，在所述基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统中，还包括：超声波测距设备，位于所述潜水器主体上，用于测量所述潜水器主体距离前方设备的距离，并作为第一相对距离输出；FLASH存储设备，预先存储了破损等级对照表，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；水下摄像设备，包括半球形防水透明罩、辅助照明子设备和CMOS摄像头，所述半球形防水透明罩用于容纳所述辅助照明子设备和所述CMOS摄像头，所述辅助照明子设备为所述CMOS摄像头的水下拍摄提供辅助照明，所述CMOS摄像头对前方目标拍摄以获得包含前方目标的水下图像；所述清晰化分析设备包括散射光滤除子设备、阈值分析子设备和破损区域特征提取子设备；所述散射光滤除子设备与所述CMOS摄像头、所述超声波测距设备和所述辅助照明子设备分别连接，以获得所述第一相对距离和所述辅助照明亮度，并基于所述第一相对距离和所述辅助照明亮度去除所述水下图像中因为辅助照明子设备照射而在前方目标上形成的散射光成份，以获得清晰化水下图像；所述阈值分析子设备与所述散射光滤除子设备连接，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清晰化水下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；所述破损区域特征提取子设备与所述阈值分析子设备、所述散射光滤除子设备和所述FLASH存储设备分别连接以获得所述分割阈值，包括背景分割单元、破损区域连通单元、特征识别单元和破损等级识别单元；所述背景分割单元与所述阈值分析子设备和所述散射光滤除子设备分别连接，使用分割阈值将所述清晰化水下图像分割为最终目标区域图像和最终背景区域图像；所述破损区域连通单元与所述背景分割单元连接，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；所述特征识别单元与所述破损区域连通单元连接，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；所述破损等级识别单元与所述阈值分析子设备和所述FLASH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；所述潜水器主体包括支架、左压力克透明筒、右压力克透明筒、连接箍、储物台、机械臂、机械手、隔水密封筒、横向螺旋桨、竖向螺旋桨、纵向螺旋桨和三个直流电机，所述支架用于将所述潜水器主体固定在水下，所述连接箍与所述支架固定连接，所述储物台和所述机械臂与所述连接箍分别连接，所述机械手与所述机械臂连接，所述机械臂包括大臂和与大臂连接的小臂，所述三个直流电机分别带动所述横向螺旋桨、所述竖向螺旋桨和所述纵向螺旋桨，以通过螺旋桨的正反转，为潜水器主体提供6个自由度的推进动力；水上浮标，设置在所述潜水器主体的上方水面上；供电设备，设置在所述水上浮标上，包括防水密封罩、太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述防水密封罩用于容纳所述太阳能供电器件、所述蓄电池、所述切换开关和所述电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；北斗星定位设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于接收北斗星卫星发送的北斗星定位数据；声纳探测设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于探测所述潜水器主体到所述水上浮标的相对距离，并作为第二相对距离输出；所述AT89C51单片机与所述水下摄像设备、所述北斗星定位设备、所述声纳探测设备、所述超声波测距设备、所述清晰化分析设备和所述三个直流电机分别连接，用于监视所述三个直流电机的工作状态，用于在接收到所述目标破损等级时，当所述目标破损等级大于破损等级阈值时，发出破损报警信号，还用于基于所述北斗星定位数据、所述第二相对距离和所述第一相对距离计算并输出设备定位数据，并通过电缆将所述破损报警信号、所述水下图像、所述最终目标区域图像和所述设备定位数据传输到水上处理中心。

更具体地，在所述基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统中：所述水上处理中心位于水上船舶或岸边位置，通过电缆与所述AT89C51单片机连接。

更具体地，在所述基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统中：所述散射光滤除子设备、所述阈值分析子设备和所述破损区域特征提取子设备集成在一块集成电路板上。

更具体地，在所述基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统中：所述AT89C51单片机还实时监控自身的资源占用百分比。

更具体地，在所述基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统中：所述AT89C51单片机在自身的资源占用百分比小于预定百分比阈值时，替换所述清晰化分析设备的全部操作，所述AT89C51单片机在自身的资源占用百分比大于等于预定百分比阈值时，退出对所述清晰化分析设备的全部操作的替换。

更具体地，在所述基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统中：所述破损等级阈值预先存储在所述FLASH存储设备中。

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清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统的结构方框图。

附图标记：1潜水器主体；2清晰化分析设备；3AT89C51单片机

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统的实施方案进行详细说明。

水下设备造价昂贵，建造复杂，如果一旦发生事故，不仅造成巨大的经济损失，而且很难恢复，因而，为了做好预防工作，需要定期对水下设备缺陷进行探测。

然而，由于水下环境复杂，例如散射光干扰严重，现有技术中缺乏适合水下环境作业的相应的处理设备，因而，尚未出现机械化的检测方案，目前仍以人工检测为主。

为了克服上述不足，本发明搭建了一种基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统，以潜水器为主体，通过各种适合水下操作的图像处理设备和定位设备，识别设备缺陷位置，给出缺损等级，提高整个系统的自动化水平。

图1为根据本发明实施方案示出的基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统的结构方框图，所述识别系统包括潜水器主体、清晰化分析设备和AT89C51单片机，所述清晰化分析设备和所述AT89C51单片机都位于所述潜水器主体上，所述清晰化分析设备用于对水下图像执行清晰化处理，并检测水下设备的缺陷等级，所述AT89C51单片机与所述清晰化分析设备连接，用于基于所述缺陷等级确定是否进行相应的缺陷报警。

接着，继续对本发明的基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统的具体结构进行进一步的说明。

所述识别系统还包括：超声波测距设备，位于所述潜水器主体上，用于测量所述潜水器主体距离前方设备的距离，并作为第一相对距离输出。

所述识别系统还包括：FLASH存储设备，预先存储了破损等级对照表，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。

所述识别系统还包括：水下摄像设备，包括半球形防水透明罩、辅助照明子设备和CMOS摄像头，所述半球形防水透明罩用于容纳所述辅助照明子设备和所述CMOS摄像头，所述辅助照明子设备为所述CMOS摄像头的水下拍摄提供辅助照明，所述CMOS摄像头对前方目标拍摄以获得包含前方目标的水下图像；所述清晰化分析设备包括散射光滤除子设备、阈值分析子设备和破损区域特征提取子设备。

所述散射光滤除子设备与所述CMOS摄像头、所述超声波测距设备和所述辅助照明子设备分别连接，以获得所述第一相对距离和所述辅助照明亮度，并基于所述第一相对距离和所述辅助照明亮度去除所述水下图像中因为辅助照明子设备照射而在前方目标上形成的散射光成份，以获得清晰化水下图像；所述阈值分析子设备与所述散射光滤除子设备连接，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清晰化水下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。

所述破损区域特征提取子设备与所述阈值分析子设备、所述散射光滤除子设备和所述FLASH存储设备分别连接以获得所述分割阈值，包括背景分割单元、破损区域连通单元、特征识别单元和破损等级识别单元；所述背景分割单元与所述阈值分析子设备和所述散射光滤除子设备分别连接，使用分割阈值将所述清晰化水下图像分割为最终目标区域图像和最终背景区域图像；所述破损区域连通单元与所述背景分割单元连接，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；所述特征识别单元与所述破损区域连通单元连接，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；所述破损等级识别单元与所述阈值分析子设备和所述FLASH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。

所述潜水器主体包括支架、左压力克透明筒、右压力克透明筒、连接箍、储物台、机械臂、机械手、隔水密封筒、横向螺旋桨、竖向螺旋桨、纵向螺旋桨和三个直流电机，所述支架用于将所述潜水器主体固定在水下，所述连接箍与所述支架固定连接，所述储物台和所述机械臂与所述连接箍分别连接，所述机械手与所述机械臂连接，所述机械臂包括大臂和与大臂连接的小臂，所述三个直流电机分别带动所述横向螺旋桨、所述竖向螺旋桨和所述纵向螺旋桨，以通过螺旋桨的正反转，为潜水器主体提供6个自由度的推进动力。

所述识别系统还包括：水上浮标，设置在所述潜水器主体的上方水面上。

所述识别系统还包括：供电设备，设置在所述水上浮标上，包括防水密封罩、太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述防水密封罩用于容纳所述太阳能供电器件、所述蓄电池、所述切换开关和所述电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压。

所述识别系统还包括：北斗星定位设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于接收北斗星卫星发送的北斗星定位数据；声纳探测设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于探测所述潜水器主体到所述水上浮标的相对距离，并作为第二相对距离输出。

所述AT89C51单片机与所述水下摄像设备、所述北斗星定位设备、所述声纳探测设备、所述超声波测距设备、所述清晰化分析设备和所述三个直流电机分别连接，用于监视所述三个直流电机的工作状态，用于在接收到所述目标破损等级时，当所述目标破损等级大于破损等级阈值时，发出破损报警信号，还用于基于所述北斗星定位数据、所述第二相对距离和所述第一相对距离计算并输出设备定位数据，并通过电缆将所述破损报警信号、所述水下图像、所述最终目标区域图像和所述设备定位数据传输到水上处理中心。

可选地，在所述基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统中：所述水上处理中心位于水上船舶或岸边位置，通过电缆与所述AT89C51单片机连接；所述散射光滤除子设备、所述阈值分析子设备和所述破损区域特征提取子设备集成在一块集成电路板上；所述AT89C51单片机还实时监控自身的资源占用百分比；所述AT89C51单片机在自身的资源占用百分比小于预定百分比阈值时，替换所述清晰化分析设备的全部操作，所述AT89C51单片机在自身的资源占用百分比大于等于预定百分比阈值时，退出对所述清晰化分析设备的全部操作的替换；以及，所述破损等级阈值预先存储在所述FLASH存储设备中。

另外，CMOS传感器也可细分为被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor CMOS)与主动式像素传感器(Active Pixel Sensor CMOS)。

被动式像素传感器(Passive Pixel Sensor，简称PPS)，又叫无源式像素传感器，他由一个反向偏置的光敏二极管和一个开关管构成。光敏二极管本质上是一个由P型半导体和N型半导体组成的PN结，他可等效为一个反向偏置的二极管和一个MOS电容并联。当开关管开启时，光敏二极管与垂直的列线(Column bus)连通。位于列线末端的电荷积分放大器读出电路(Charge integrating amplifier)保持列线电压为一常数，当光敏二极管存贮的信号电荷被读出时，其电压被复位到列线电压水平，与此同时，与光信号成正比的电荷由电荷积分放大器转换为电荷输出。

主动式像素传感器(Active Pixel Sensor，简称APS)，又叫有源式像素传感器。几乎在CMOS PPS像素结构发明的同时，人们很快认识到在像素内引入缓冲器或放大器可以改善像素的性能，在CMOS APS中每一像素内都有自己的放大器。集成在表面的放大晶体管减少了像素元件的有效表面积，降低了“封装密度”，使40％～50％的入射光被反射。这种传感器的另一个问题是，如何使传感器的多通道放大器之间有较好的匹配，这可以通过降低残余水平的固定图形噪声较好地实现。由于CMOS APS像素内的每个放大器仅在此读出期间被激发，所以CMOS APS的功耗比CCD图像传感器的还小。

采用本发明的基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统，针对现有技术中潜水器无法顺利开展水下设备缺陷识别的技术问题，针对水下特殊环境，改造现有潜水器的结构，并使用了一系列克服水下干扰、实现水下设备缺陷识别和定位的处理设备，以提供水下设备缺陷等级，使得潜水器开展水下设备缺陷识别成为可能。

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)

1.一种基于清晰化图像处理的水下设备缺陷识别系统，所述识别系统包括潜水器主体、清晰化分析设备和AT89C51单片机，所述清晰化分析设备和所述AT89C51单片机都位于所述潜水器主体上，所述清晰化分析设备用于对水下图像执行清晰化处理，并检测水下设备的缺陷等级，所述AT89C51单片机与所述清晰化分析设备连接，用于基于所述缺陷等级确定是否进行相应的缺陷报警；

其特征在于，所述识别系统还包括：

超声波测距设备，位于所述潜水器主体上，用于测量所述潜水器主体距离前方设备的距离，并作为第一相对距离输出；

FLASH存储设备，预先存储了破损等级对照表，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；

水下摄像设备，包括半球形防水透明罩、辅助照明子设备和CMOS摄像头，所述半球形防水透明罩用于容纳所述辅助照明子设备和所述CMOS摄像头，所述辅助照明子设备为所述CMOS摄像头的水下拍摄提供辅助照明，所述CMOS摄像头对前方目标拍摄以获得包含前方目标的水下图像；

所述清晰化分析设备包括散射光滤除子设备、阈值分析子设备和破损区域特征提取子设备；

所述散射光滤除子设备与所述CMOS摄像头、所述超声波测距设备和所述辅助照明子设备分别连接，以获得所述第一相对距离和所述辅助照明亮度，并基于所述第一相对距离和所述辅助照明亮度去除所述水下图像中因为辅助照明子设备照射而在前方目标上形成的散射光成份，以获得清晰化水下图像；

所述阈值分析子设备与所述散射光滤除子设备连接，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清晰化水下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；

所述破损区域特征提取子设备与所述阈值分析子设备、所述散射光滤除子设备和所述FLASH存储设备分别连接以获得所述分割阈值，包括背景分割单元、破损区域连通单元、特征识别单元和破损等级识别单元；所述背景分割单元与所述阈值分析子设备和所述散射光滤除子设备分别连接，使用分割阈值将所述清晰化水下图像分割为最终目标区域图像和最终背景区域图像；所述破损区域连通单元与所述背景分割单元连接，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；所述特征识别单元与所述破损区域连通单元连接，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；所述破损等级识别单元与所述阈值分析子设备和所述FLASH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；

所述潜水器主体包括支架、左压力克透明筒、右压力克透明筒、连接箍、储物台、机械臂、机械手、隔水密封筒、横向螺旋桨、竖向螺旋桨、纵向螺旋桨和三个直流电机，所述支架用于将所述潜水器主体固定在水下，所述连接箍与所述支架固定连接，所述储物台和所述机械臂与所述连接箍分别连接，所述机械手与所述机械臂连接，所述机械臂包括大臂和与大臂连接的小臂，所述三个直流电机分别带动所述横向螺旋桨、所述竖向螺旋桨和所述纵向螺旋桨，以通过螺旋桨的正反转，为潜水器主体提供6个自由度的推进动力；

水上浮标，设置在所述潜水器主体的上方水面上；

供电设备，设置在所述水上浮标上，包括防水密封罩、太阳能供电器件、蓄电池、切换开关和电压转换器，所述防水密封罩用于容纳所述太阳能供电器件、所述蓄电池、所述切换开关和所述电压转换器，所述切换开关与所述太阳能供电器件和所述蓄电池分别连接，根据蓄电池的剩余电量决定是否切换到所述太阳能供电器件以由所述太阳能供电器件供电，所述电压转换器与所述切换开关连接，以将通过切换开关输入的5V电压转换为3.3V电压；

北斗星定位设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于接收北斗星卫星发送的北斗星定位数据；

声纳探测设备，设置在所述水上浮标上，由所述供电设备提供电力供应，用于探测所述潜水器主体到所述水上浮标的相对距离，并作为第二相对距离输出；

所述AT89C51单片机与所述水下摄像设备、所述北斗星定位设备、所述声纳探测设备、所述超声波测距设备、所述清晰化分析设备和所述三个直流电机分别连接，用于监视所述三个直流电机的工作状态，用于在接收到所述目标破损等级时，当所述目标破损等级大于破损等级阈值时，发出破损报警信号，还用于基于所述北斗星定位数据、所述第二相对距离和所述第一相对距离计算并输出设备定位数据，并通过电缆将所述破损报警信号、所述水下图像、所述最终目标区域图像和所述设备定位数据传输到水上处理中心。