CN109444970B - 一种利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁波谱对地无损探测领域，具体涉及一种利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法。具体技术方案为：利用图像采集装置，采集电磁波谱收发天线视频，判断电磁波谱收发天线当前所处的具体位置和运动情况，进而判断是否利用发射机和接收机通过天线进行电磁波谱数据的发射和接收。本发明提出了基于图像反馈控制机制的电磁波谱收发方法，可利用电磁波实现对地下的无损探测，从而为地下未知物的无损探测提供数据基础。

Description

一种利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法
技术领域
本发明属于电磁波谱收发天线探地领域，具体涉及一种利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法。
背景技术
传统的电磁波谱收发方式，或通过手动进行电磁波谱收发，或通过设定固定频率对电磁波谱的发射进行控制，或者利用编码轮的方式，来实现电磁波谱的收发。手动控制电磁波谱发射对电磁波谱发射的时间间隔等参数无法精确控制，且该种方法无法适应长时间工作；通过设定固定频率对电磁波谱发射进行控制，会出现在同一地点连续发射电磁波谱，即，虽然电磁波谱收发天线并未运行，但是一直出现电磁谱图，从而，电磁波谱图无法正确显示地下的信息。而利用编码轮方式，其主要缺陷是，编码轮为硬件设置，其使用过程中时常出现损坏现象，从而影响电磁波谱的使用。
本发明提出了基于图像反馈控制机制的电磁波谱收发方法，可利用电磁波实现对地下的无损探测，从而为地下未知探测物的探测提供数据基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法，通过图像采集装置收集电磁波谱收发天线的运动图像，判断是否收发电磁波谱数据。
优选的，包括如下步骤：
(1)使用图像采集装置采集电磁波谱收发天线在待检测区域的运动图像；
(2)判断电磁波谱收发天线的几何中心是否位于所述运动图像内部，如果不在，则返回步骤(1)；
(3)比较前后帧图像中电磁波谱收发天线位置在所述运动图像中的变化情况；
(4)判断电磁波谱收发天线是否在移动，如果不在，返回步骤(1)；
(5)判断电磁波谱收发天线的运动轨迹是否与已采集的运动轨迹重合，如果是，返回步骤(1)；如果否，触发时钟，利用发射机通过天线发射电磁波谱数据，同时利用接收机通过天线接收反射回来的电磁波谱数据。
优选的，步骤(2)所述的判断几何中心的方法如下：
1)通过图像采集装置获取待探测区域的原始图像，记为P0，所述P0不包括电磁波谱收发天线；
2)将电磁波谱收发天线放置在待探测区域内，运行系统，获得图像Pn-1、Pn，所述n指获得的第n帧图像，n≥2；
3)用前后帧图像Pn-1、Pn相减，获取两帧图像的差值图像，记为Dn-1 n；同时，将图像Pn-1、Pn分别与P0相比，获取差值图像，分别记作D0 n-1、D0 n，将图像Dn-1 n、D0 n-1、D0 n进行并集操作，获得图像为Du 0n；
4)在Du 0n中选择上一帧获取的电磁波谱收发天线所在区域，并用该区域选择D0 n中被分割出的区域，被选中的区域即为电磁波谱收发天线所在区域，通过计算所选中的区域的像素点的位置的平均值，确定为电磁波谱收发天线的几何中心(xn,yn)。
优选的，判断电磁波谱收发天线是否移动的方法具体为：
预设一个设定值，利用前后帧图像差值，获得电磁波谱收发天线几何中心的差值为(xn-xn-1,yn-yn-1)，计算((xn-xn-1)2+(yn-yn-1)2)1/2的值；若((xn-xn-1)2+(yn-yn-1)2)1/2大于设定值，则判断电磁波谱收发天线移动，若小于设定值，则判断为未移动。
优选的，步骤(4)时，如果判断电磁波谱收发天线在移动，则触发时钟，利用发射机通过天线发射电磁波谱数据，同时利用接收机通过天线接收反射回来的电磁波谱数据，随后再进行步骤(5)。
优选的，在步骤(5)时，如果判断路径与已采集运动轨迹重合，则将该次电磁波谱数据与已收集的数据融合，即取各数据的平均值，再在系统中记录数据；如果路径与过去不重合，则直接在系统中记录数据。
优选的，所述电磁波谱收发天线的运动方向选择方式为：
(1)数据预采集：先沿水平方向运行，再沿垂直方向运行，再沿水平方向向上倾斜45°的方向运行，再沿水平方向向下倾斜45°的方向运行，分别记录上述4个运行方向所探测的电磁波谱数据；
(2)运动方向的选择：计算、对比上述4个运行方向所探测的电磁波谱数据的方差，选择方差最大的运行方向，作为正式数据采集时的电磁波谱收发天线运动方向。
优选的，所述电磁波谱收发天线的运动方式为：
(1)使用所述图像采集装置逐点采集所述电磁波谱收发天线运动所经位置信息，并将所述电磁波谱收发天线的几何中心逐点标记；
(2)待所述电磁波谱收发天线运动结束后，判断所述待检测区域是否还存在未标记的点，如有，则控制电磁波谱收发天线到达该点进行数据采集；
(3)重复步骤(2)，直至待检测区域被全部标记。
优选的，如果电磁波谱收发天线运动轨迹与已采集运动轨迹重合，则将重合部分采集的电磁波谱数据进行对比、取平均值，作为重合位置的电磁波谱数据。
本发明具有以下有益效果：本发明提出了基于图像反馈控制机制的探地电磁波谱收发方法，可利用电磁波实现对地下的无损探测，从而为地下未知探测物的探测提供数据基础。
附图说明
图1为本发明的系统模块示意图；
图2为第一种电磁波谱数据收发模式示意图；
图3为第二种电磁波谱数据收发模式示意图；
图4为第一种电磁波谱收发天线运动方式；
图5为第二种电磁波谱收发天线运动方式。
具体实施方式
如图1所示的，本申请利用图像采集装置，比如照相机/摄像机/摄影机，采集电磁波谱收发天线在待探测区域的运动轨迹图像/视频；所述电磁波谱收发天线可以为探地雷达天线。电磁波谱收发天线可由自主运动装置牵引，或人工等其它动力装置牵引，使其运动。
通过图像/视频处理，判断/获取电磁波谱收发天线在待探测区域中的具体位置，判断电磁波谱收发天线的几何中心是否在待探测区域内部，如果不在，则返回上一步骤。如果在区域内部，则通过图像前后帧的对比，判断电磁波谱收发天线在区域内的位置是否在变化。如果没有变化，说明电磁波谱收发天线并未运动，或运动到已探测的位置，则不触发时钟；如果位置发生变化，则判断电磁波谱收发天线运动到有效位置(即未探测位置)，则触发时钟，利用发射机通过天线发射电磁波谱数据，同时利用接收机通过天线接收反射回来的电磁波谱数据。同时提取电磁波谱收发天线的几何中心点，作为电磁波谱收发天线经过的点，将该点在待探测区域内绘制出来，进而形成已探测区域。
一、本申请具体包括两种电磁波谱数据收发方式。
1、第一种如图2所示，具体包括如下步骤：
(1)使用图像采集装置采集电磁波谱收发天线在待检测区域的运动图像；
(2)判断电磁波谱收发天线的几何中心是否位于所述运动图像内部，如果不在，则返回步骤(1)；
(3)比较前后帧图像中电磁波谱收发天线位置在所述运动图像中的变化情况；
(4)判断电磁波谱收发天线是否在移动，如果不在，返回步骤(1)；
(5)判断电磁波谱收发天线的运动轨迹是否与已采集运动轨迹重合，如果是，返回步骤(1)；如果否，触发时钟，利用发射机通过天线发射电磁波谱数据，同时利用接收机通过天线接收反射回来的电磁波谱数据。
2、第二种如图3所示，具体包括如下步骤：
(1)使用图像采集装置采集电磁波谱收发天线在待检测区域的运动图像；
(2)判断电磁波谱收发天线的几何中心是否位于所述运动图像内部，如果不在，则返回步骤(1)；
(3)比较前后帧图像中电磁波谱收发天线位置在所述运动图像中的变化情况；
(4)判断电磁波谱收发天线是否在移动，如果不在，返回步骤(1)；如果在移动，则触发时钟，利用发射机通过天线发射电磁波谱数据，同时利用接收机通过天线接收反射回来的电磁波谱数据；
(5)判断电磁波谱收发天线的运动轨迹是否与已采集的运动轨迹重合，如果是，则将该次电磁波谱数据与已收集的数据融合，再在系统中记录数据；如果路径与过去不重合，则直接在系统中记录数据。
上述方法1、2中，获得电磁波谱收发天线几何中心的方法具体如下：
首先通过图像采集装置和视觉传感器，获取待探测区域的最原始图像，记为P0，此时采集图像不包括电磁波谱收发天线。系统运行时，将电磁波谱收发天线放置在待探测区域内，开始采集图像P1，在图像P1中绘出电磁波谱收发天线的初始区域。系统运行后，获得第二帧图像P2，用前后帧图像P1、P2相减，获取两帧图像的差值图像记为D1 2；同时，获取的图像P1、P2分别与P0相比较获取差值图像，分别记作D0 1、D0 2，将图像D1 2、D0 1、D0 2进行并集操作，获得图像为Du 02。在Du 02中选择离人工绘制的初始区域所在区域，并用该区域去选择D0 2中被分割出的区域。则被选中的区域即为电磁波谱收发天线所在区域，并通过该区域计算电磁波谱收发天线所在区域中心，并据此计算出电磁波谱收发天线几何中心。
具体地，对于第Pn-1、Pn帧图像而言，用前后帧图像Pn-1、Pn相减，获取两帧图像的差值图像记为Dn-1 n；同时，获取的图像Pn-1、Pn分别与P0相比较获取差值图像：D0 n-1、D0 n，将图像Dn-1 n、D0 n-1、D0 n进行并集操作获得Du 0n，在Du 0n中选择上一帧获取的电磁波谱收发天线所在区域，并用该区域选择D0 n中被分割出的区域，被选中的区域即为电磁波谱收发天线所在区域，通过计算所选中的区域的像素点的位置的平均值，确定为电磁波谱收发天线的几何中心(xn,yn)。其中，所述n指获得的第n帧图像，n≥2，全文的n含义相同。
应当理解的是，所述分割具体是指将前后帧图像进行对比后，将图像中的目标(即电磁波谱收发天线)分离提取出来，具体方法为：将前后帧图像进行比较获得差值图像；根据待分割目标的已采集的运动轨迹判断该目标可能出现的区域；将可能出现的区域与差值图像进行比对，即完成分割。
上述方法1、2中，判断电磁波谱收发天线是否移动的方法具体为：
根据所需要的精确度预设一个设定值，利用前后帧图像差值，获得电磁波谱收发天线几何中心的差值为(xn-xn-1,yn-yn-1)，计算x、y差值平方和的算术平方根，即((xn-xn-1)2+(yn-yn-1)2)1/2，将x、y的差值整合为一个数值进行计算。若所述算术平方根大于设定值，则判断电磁波谱收发天线移动，若小于设定值，则判断为未移动。其中，所述设定值根据实际所需精度进行设定即可。
上述方法1、2中，判断电磁波谱收发天线的运动轨迹是否与已采集的运动轨迹重合的方法具体为：
首先判断电磁波谱收发天线的几何中心是否在已有运动轨迹的线上。若在线上，则判断下一帧电磁波谱收发天线的几何中心是否也在已有运动轨迹上。若两点皆在已有的运动轨迹上，则判断为与已采集的运动轨迹重合；若有一点不在已有的运动轨迹上，则判断为不重合。其中，所述已采集的运动轨迹指：图像采集装置已采集的运动图像中，电磁波谱收发天线已经经过的运动路线。
二、本申请利用两种方法控制电磁波谱收发天线运动、进行数据采集。
1、第一种如图4所示，为简单快速的待测区域检测方法。
(1)数据预采集：电磁波谱收发天线先沿水平方向运行，再沿垂直方向运行，再沿水平方向向上倾斜45°的方向运行，再沿水平方向向下倾斜45°的方向运行，分别记录上述4个运行方向所探测的电磁波谱数据。
(2)运动方向的选择：计算、对比上述4个运行方向所探测的电磁波谱数据的方差，选择方差最大的运行方向，作为正式数据采集时的电磁波谱收发天线运动方向。即，后续的正式数据采集中，电磁波谱收发天线都按照该方向运动。
2、第二种如图5所示，为全局逐点扫描方法。
系统逐点记录电磁波谱收发天线走过的地面的位置信息，并将其几何中心在视野内的图像中逐点显示。系统判断，图像中是否有未被标记的像素点(即该像素对应的空间位置，即电磁波谱收发天线未曾经过的点，即该点的待探测信息未被电磁波谱收发天线探测)，那么可以通过自动或者手动的方式，使电磁波谱收发天线经过该像素点对应的空间位置。重复上述过程，直至电磁波谱收发天线遍历了所有像素所对应的空间位置点。
当然，本方法对地下的探测精度，由图像采集设备的成像精度确定，其像素越高，则探测的精度越高。通过图像处理获取电磁波谱收发天线的几何中心点，并将几何中心点绘制在图像视野内。系统将判断视野范围内的空间位置中，是否每一个点都有电磁波谱的数据，若有，则系统退出；若有某些点未有数据，则将电磁波谱收发天线运动到该位置，并进行电磁波谱数据的发射和接收。
当上述两种方法检测到电磁波谱收发天线运动到重合点、采集到同一个点的不同电磁波谱数据时，则取平均值作为该点数据。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步阐释。
实施例一
本实施例在室内地面进行，主要测量新建房屋楼层的钢筋含量。由于房屋钢筋为规则布置，因此采用方法一：简单快速的待测区域检测方法。即系统进行检测时，电磁波谱收发天线将在视野范围内，进行规划操作，即沿水平方向运行，并记录电磁波谱数据。再沿垂直方向运行电磁波谱收发天线，记录电磁波谱数据；再沿倾斜方向运行电磁波谱收发天线，记录相关数据。取四组数据的平均值，并计算四组数据的方差，选择电磁波谱图方差最大的运行方向，作为后续正式数据采集的电磁波谱收发天线运动方向。
在运行过程中，利用摄像机采集电磁波谱收发天线视频，通过图像处理获取电磁波谱收发天线在图像中的位置。判断前后帧，图像中电磁波谱收发天线位置是否有变化。若无，则不触发发射机。若有，则对电磁波谱收发天线图像的边界进行提取，判断电磁波谱收发天线是否有边界线移出视野，若是，则不触发发射机。若未移出视野，则触发发射机通过天线发射电磁波。同时，提取电磁波谱收发天线的几何中心点，并将电磁波谱收发天线经过的点用在图像中绘制出来。同时记录电磁波谱收发天线的几何中心点，并相隔两帧之间几何中心的连线方向。
系统将判断视野范围内的空间位置中，是否每一个像素点对应的空间位置都有电磁波谱的数据，若有，则系统退出，若有某些点未有数据，则将电磁波谱收发天线运动到该位置，并发射电磁波谱。当有重合点时，则将电磁波谱数据与之前的电磁波谱数据进行对比，并取平均值。直到电磁波谱收发天线遍历图像中所有像素点所对应的地表位置。系统沿着选择的方向，依次进行数据采集，并最终完成整个区域的电磁波谱数据采集。
实施例二
本实施例在野外进行，进行植物根系的电磁图谱的采集。
本实施例使用方法二：全局逐点扫描方法：系统逐点记录电磁波谱收发天线走过的地面的位置信息，并将几何中心在视野内的图像中逐点显示。系统判断，图像中是否有未被标记的像素点(即该像素对应的空间位置，即电磁波谱收发天线未曾经过的点，即该点下侧土壤信息未被电磁波谱收发天线探测)，那么可以通过自动或者手动的方式，将电磁波谱收发天线经过该像素点对应的空间位置，直到电磁波谱收发天线遍历了所有像素所对应的空间位置点。
系统将判断视野范围内的空间位置中，是否每一个像素点对应的空间位置都有电磁波谱的数据，若有，则系统退出，若有某些点未有数据，则将电磁波谱收发天线运动到该位置，并发射电磁波谱。当有重合点时，则将电磁波谱数据与之前的电磁波谱数据进行对比，并取平均值；直到电磁波谱收发天线遍历图像中所有像素点所对应的地表位置。

Claims (7)

1.一种利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法，其特征在于：通过图像采集装置收集电磁波谱收发天线的运动图像，判断是否发射和接收电磁波谱数据；包括如下步骤：
(1)使用图像采集装置采集电磁波谱收发天线在待检测区域的运动图像；
(2)判断电磁波谱收发天线的几何中心是否位于所述运动图像内部，如果不在，则返回步骤(1)；
判断几何中心的方法如下：
1)通过图像采集装置获取待探测区域的原始图像，记为P0，所述P0不包括电磁波谱收发天线的图像；
2)将电磁波谱收发天线放置在待探测区域内，运行系统，获得图像Pn-1、Pn，所述n指获得的第n帧图像，n≥2；
3)用前后帧图像Pn-1、Pn相减，获取两帧图像的差值图像，记为Dn-1 n；同时，将图像Pn-1、Pn分别与P0相比，获取差值图像，分别记作D0 n-1、D0 n，将图像Dn-1 n、D0 n-1、D0 n进行并集操作，获得图像为Du 0n；
4)在Du 0n中选择上一帧获取的电磁波谱收发天线所在的区域，并用该区域选择D0 n中被分割出的区域，被选中的区域即为电磁波谱收发天线所在区域，计算选中区域的像素点位置的平均值，即为电磁波谱收发天线的几何中心(xn,yn)；
(3)比较前后帧图像中电磁波谱收发天线的位置在所述运动图像中的变化情况；
(4)判断电磁波谱收发天线是否在移动，如果不在，返回步骤(1)；
(5)判断电磁波谱收发天线的运动轨迹是否与已采集的运动轨迹重合，如果是，返回步骤(1)；如果否，触发时钟，利用发射机通过天线发射电磁波谱数据，同时利用接收机通过天线接收反射回来的电磁波谱数据。
2.根据权利要求1所述的利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法，其特征在于：判断电磁波谱收发天线是否移动的方法具体为：
预设一个设定值，利用前后帧图像差值，获得电磁波谱收发天线几何中心的差值为(xn-xn-1,yn-yn-1)，计算((xn-xn-1)2+(yn-yn-1)2)1/2的值；若((xn-xn-1)2+(yn-yn-1)2)1/2大于设定值，则判断电磁波谱收发天线移动，若小于设定值，则判断为未移动。
3.根据权利要求1所述的利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法，其特征在于：
步骤(4)时，如果判断电磁波谱收发天线在移动，则触发时钟，利用发射机通过天线发射电磁波谱数据，同时利用接收机通过天线接收反射回来的电磁波谱数据，随后再进行步骤(5)。
4.根据权利要求3所述的利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法，其特征在于：在步骤(5)时，如果判断路径与已采集运动轨迹重合，则将该次电磁波谱数据与已收集的数据取平均值，再在系统中记录数据；如果路径与已采集运动轨迹不重合，则直接在系统中记录数据。
5.根据权利要求1所述的利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法，其特征在于：所述电磁波谱收发天线的运动方向选择方式为：
(1)数据预采集：先沿水平方向运行，再沿垂直方向运行，再沿水平方向向上倾斜45°的方向运行，再沿水平方向向下倾斜45°的方向运行，分别记录上述4个运行方向所探测的电磁波谱数据；
(2)运动方向的选择：计算、对比上述4个运行方向所探测的电磁波谱数据的方差，选择方差最大的运行方向，作为正式数据采集时的电磁波谱收发天线运动方向。
6.根据权利要求1所述的利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法，其特征在于：所述电磁波谱收发天线的运动方式为：
(1)使用所述图像采集装置逐点采集所述电磁波谱收发天线运动所经位置信息，并将所述电磁波谱收发天线的几何中心逐点标记；
(2)待所述电磁波谱收发天线运动结束后，判断所述待检测区域是否还存在未标记的点，如有，则控制电磁波谱收发天线到达该点进行数据采集；
(3)重复步骤(2)，直至待检测区域被全部标记。
7.根据权利要求5或6所述的利用视觉感知控制的探地电磁波谱收发方法，其特征在于：如果电磁波谱收发天线运动轨迹与已采集运动轨迹重合，则将重合部分采集的电磁波谱数据进行对比、取平均值，作为重合位置的电磁波谱数据。
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