CN108184040A - 一种自治水下机器人摄像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自治水下机器人摄像系统，包括辅助光源和水下摄像机；辅助光源和水下摄像机设置于自治水下机器人的正下方，且辅助光源和水下摄像机中心点的虚拟连线平行于自治水下机器人的轴线。本发明提供一种细长流体型自治水下机器人的摄像系统辅助光源布置方式，提升自治水下机器人水下细小目标探测的能力，通过辅助光源的布置使得水下成像效果达到最佳，本装置已经经过湖上、海上试验验证了其有效性。

Description

一种自治水下机器人摄像系统

技术领域

本发明涉及水下机器人图像采集领域，具体地说是一种自治水下机器人摄像系统。

背景技术

声呐是目前水下遥感探测的主要技术，作用距离远、成像范围大，但是，由于声呐分辨率较低且缺乏色彩信息，因此对水下管线(如电缆、通信缆等)、水听器等细小目标则难以实现有效的识别、定位。相比声呐，水下光学成像可获取高质量的光学图像，具有信息量大、分辨率高、色彩信息丰富、图像直观、符合人眼视觉特征等特点，利于细小目标的探测，是目前水下细小目标探测最直观有效手段。因此水下视频摄像系统可以有效的提高自治水下机器人的水下细小目标探测能力，拓展自治水下机器人的应用领域。

水下光学图像与地面光学图像，从成像分辨率角度，两者无区别。两者的区别主要是传播介质的不同。对于地面光学成像，传播介质是空气、雾、雨、雪以及大气悬浮颗粒会影响成像质量；对于水下光学成像，传播介质主要是水，水中的悬浮颗粒、悬浮生物以及湍流等会影响成像质量。与空气相比，水对光的衰减作用要大得多，因此，光在水中的穿透距离较近。此外，对于水下环境照度通常很低，因此需要辅助照明实现目标探测。由于水的散射吸收作用较强，存在较强的光向后散射，从而使图像的对比度降低，光强过强时水的向后散射增大，摄像机中会出现很多光斑影响成像质量，光强过弱时则达不到需要的穿透距离。而对于细长流体型的自治水下机器人来说，由于机器人空间限制，辅助光源的布置方式有限，布置方法相对困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自治水下机器人摄像系统，通过细长流体型自治水下机器人的摄像系统辅助光源布置方式，提升自治水下机器人水下细小目标探测的能力，通过辅助光源的布置使得水下成像效果达到最佳，本装置已经经过湖上、海上试验验证了其有效性。可有效降低水的向后反射影响，已使水下成像达到相当不错的效果。解决了细长流体型自治水下机器人水下细小目标识别能力不足，水下摄像系统辅助光源没有统一布置的问题。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种自治水下机器人摄像系统，包括辅助光源和水下摄像机；辅助光源和水下摄像机设置于自治水下机器人的正下方，且辅助光源和水下摄像机中心点的虚拟连线平行于自治水下机器人的轴线。

所述水下摄像机垂直向下照射，形成摄像机视场。

所述辅助光源与自治水下机器人的轴线成一定角度射出，射出方向的轴线照射在摄像机射出方向的中心轴线上，且相交于摄像机视场中心。

所述辅助光源到水下摄像机的距离在自治水下机器人轴线方向可调。

所述辅助光源与自治水下机器人的轴线成一定角度为：

其中，β为辅助光源与自治水下机器人的轴线成的角度，L是水下摄像机到视场平面的距离，R为辅助光源到水下摄像机的距离。

所述辅助光源到水下摄像机的距离为：

E_n＝E₀(1-α)^L

其中，ΔF为辅助光源的光通量，ΔA为水下摄像机视场的面积，R为辅助光源到水下摄像机的距离，L是水下摄像机到视场平面的距离，α为水的衰减系数，E₀为光源在摄像机视场上产生的照度，α为衰减系数，E_n为摄像机镜头收到视场上的照度。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明通过辅助光源的布置，提升了自治水下机器人水下细小目标探测的能力，有效降低水的向后反射影响，使得水下成像效果达到最佳；

2.本发明针对细长流体型自治水下机器人的水下视频摄像辅助光源布置方式，根据公式可直接将被探测区域的水质信息带入，求出摄像机、辅助光源的对应关系，可应用于所有长度大于两米的细长流体型自治水下机器人。

3.本发明只需要根据水质的不同调节辅助光源照射角度和摄像机与辅助光源的距离即可，不需要对水下机器人进行其他的改动，操作便捷，安全可靠。

附图说明

图1是本发明的结构设置图；其中1为辅助光源，2为水下摄像机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示为本发明的结构设置图。

一种自治水下机器人摄像系统的布置方式，由自治水下机器人、水下摄像机、辅助光源三部分组成。辅助光源与水下摄像机平行于自治水下机器人的轴线放置并放置于水下机器人的正下方。水下摄像机垂直向下照射以获得最大的视场，辅助光源的轴线照射在水下摄像机视场的正中心以给水下摄像带来最大的照度。辅助光源与水下摄像机的距离R在自治水下机器人轴线方向可调。

光源与摄像机平行于航行器前后布置，为达到最大的对底探测摄像机垂直向下照射，照射距离L，视场角θ。辅助光源与载体中轴线成一定角度β向摄像机的视场照射，开角为α，距离摄像机的距离为R。此种方式布置简单，摄像机与辅助光源的位置可控，且避免了照明光源直接照射摄像机镜头产生的干扰，可以提高成像效果和成像距离。在水中浑浊度、悬浮物、生物含量变化时，需要对摄像机与辅助光源的相对位置与辅助光源的照度进行适当的调整。

辅助光源轴线与摄像机轴线在摄像机视场平面重合，因此

为保证水下摄像机全视场的成像质量，则最长光程处水下摄像机镜头收到的光强应满足摄像机清晰成像时的照度，又因为衰减系数α可看作为单位长度的衰减率，如α＝0.05m^-1，则光在介质中每传播1m，近似衰减5％。则最长光程到镜头的光强衰减为E_n：

光源在摄像机视场上产生的照度E₀为：

ΔF为辅助光源的光通量，ΔA为水下摄像机视场的面积，R为辅助光源到水下摄像机的距离，L是水下摄像机到视场平面的距离，α为水的衰减系数。

摄像机镜头收到视场上的照度E_n为：

E_n＝E₀(1-α)^L (3)

式中E₀为视场处的照度，L是水下摄像机到视场平面的距离，α为水的衰减系数。

将上式(4)带入式(2)为：

解除公式(4)中R为：

实施例1，在要求水下摄像机观察3.5m的目标，即L＝3.5m，水的衰减系数为0.7，相机感光要求为0.1LX，即E_n＝0.1LX，摄像机的视场角θ＝60°，辅助光源的光通量为7000LM时，带入上式可知

E₀＝E_n/(1-α)^L＝0.1/0.3^3.5＝6.76LX

所以辅助光源与载体中轴线所成角度β为：

β＝arctan(1.92)＝62.5°

即在上述条件下，辅助光源距摄像机的最远距离为1.82m，此时辅助光源与载体中轴线所成角度为β＝62.5°，此时的光源布置方式既可以有效的防止向后散射的干扰，还可以满足摄像头对于摄像机视场内物理照度的需要，成像效果最好。

本方法通过合理配置水下摄像机与辅助光源的位置，减少影响图像质量的向后散射，达到提高图像质量与系统作用距离的目的。

理论上，辅助光源与水下摄像机的距离越远，摄像机的视场角越小，图像的质量越高，成像距离越远，但实际上由于自治水下机器人安装区域的限制，辅助光源与摄像机的距离不可能很远，且辅助光源与水下摄像机达到一定距离后，再继续增加距离，有效向后散射区域减小的幅度变慢，物体表面照度变得越来越不均匀，成像质量变差。

在自治水下机器人载水下摄像系统时，要求辅助光源照射面积大于等于摄像机视场，为使相同光通量下的辅助光源发挥最大作用，我们使辅助光源的照射面积略大于摄像机的视场。

Claims (6)

1.一种自治水下机器人摄像系统，其特征在于：包括辅助光源和水下摄像机；辅助光源和水下摄像机设置于自治水下机器人的正下方，且辅助光源和水下摄像机中心点的虚拟连线平行于自治水下机器人的轴线。

2.根据权利要求1所述的自治水下机器人摄像系统，其特征在于：所述水下摄像机垂直向下照射，形成摄像机视场。

3.根据权利要求1所述的自治水下机器人摄像系统，其特征在于：所述辅助光源与自治水下机器人的轴线成一定角度射出，射出方向的轴线照射在摄像机射出方向的中心轴线上，且相交于摄像机视场中心。

4.根据权利要求1所述的自治水下机器人摄像系统，其特征在于：所述辅助光源到水下摄像机的距离在自治水下机器人轴线方向可调。

5.根据权利要求3所述的自治水下机器人摄像系统，其特征在于：所述辅助光源与自治水下机器人的轴线成一定角度为：

其中，β为辅助光源与自治水下机器人的轴线成的角度，L是水下摄像机到视场平面的距离，R为辅助光源到水下摄像机的距离。

6.根据权利要求4所述的自治水下机器人摄像系统，其特征在于：所述辅助光源到水下摄像机的距离为：

E_n＝E₀(1-α)^L

其中，ΔF为辅助光源的光通量，ΔA为水下摄像机视场的面积，R为辅助光源到水下摄像机的距离，L是水下摄像机到视场平面的距离，α为水的衰减系数，E₀为光源在摄像机视场上产生的照度，α为衰减系数，E_n为摄像机镜头收到视场上的照度。