CN109884642A - 采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法，具体包括以下步骤：将多波束声纳设备、激光辅助照明设备和光学成像设备安装于同一水下密封结构中；调节多波束声纳设备的传感器探头与光学成像设备的视轴和激光辅助照明设备的光轴方向一致；多波束声纳设备发出声纳探测水下目标，将获得的声纳图像传输至融合成像处理系统，获得水下目标的高清图像；标记出光学成像设备图像中存在目标的条带区域，启动激光辅助照明设备；对图像进行算法处理，获得目标的高度，根据声纳图像得到目标的宽度信息，在图像显示器中显示出水下目标的高度和宽度。本发明可以大大提高水下目标的探测距离和识别概率。

Description

采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法

技术领域

本发明涉及水下成像技术领域，更具体地，涉及一种采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法。

背景技术

水下声成像是在海洋等水环境中，以声波为媒介，对发射声波的反向散射回波进行接收，并通过一定算法处理后形成被观测区域的图像。声波在水中的传播衰减较小，传播距离远，所以声探测是水中大范围、远距离探测和定位的最有效手段。但是声纳图像存在的缺点是分辨率较光学图像低，目标的局部特征表达能力差。

光学图像受光照、水质等环境因素影响大，探测距离一般较短。当激光辅助照明成像时，会在水下产生前向散射和后向散射，前向散射会增大光在水中的传播距离，会影响图像分辨率和目标与背景间的对比度；后向散射会使水下成像产生饱和作用，使得图像具有较明显的灰白效应，影响对有用信息的采集。

综上，由于水中环境的特殊性，单一传感器受到各方面因素综合作用，较难获得对水下环境和水下目标的准确、全面、可靠的信息。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法，可以大大提高水下目标的探测距离和识别概率。

本发明的解决技术方案：采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法，包括以下步骤：

1）将多波束声纳设备、激光辅助照明设备和光学成像设备安装于同一水下密封结构中，并连接融合成像处理系统和电池；多波束声纳设备和光学成像设备底部加装位置调节装置；

2）在使用前，调节多波束声纳设备的传感器探头与光学成像设备的视轴和激光辅助照明设备的光轴方向一致；前期校正完成后，将各设备的位置完全锁死，保证工作时光学成像设备和多波束声纳设备的视轴方向保持一致；

3）装置进入水下正式工作时，除了激光辅助照明设备先不启动，其他设备都启动；

4）多波束声纳设备发出声纳探测水下目标，将获得的声纳图像传输至融合成像处理系统，融合成像处理系统通过相关算法对声纳图像处理，获得水下目标的高清图像；

5）根据光学成像设备和声纳设备视场大小的比例，融合成像处理系统标记出光学成像设备图像中存在目标的条带区域（条带宽度为目标对应的宽度）；启动激光辅助照明设备后，通过观察图像显示器，手动控制位置调节装置上的旋钮，使得照明光束在条带区域中扫描；光束照到目标上时，图像显示器给出光学图像；

6）融合成像处理系统对步骤5）得到的图像进行图像去噪增强、自适应二值化分割、像素消融及聚类算法处理，获得目标的高度，根据声纳图像得到目标的宽度信息，在图像显示器中显示出水下目标的高度和宽度。

所述步骤2）具体包括以下步骤：

①把水下密封结构整体放置在水质干净、光照条件好的水下，启动各设备；

②初步调整位置调节装置，使得多波束声纳设备、激光辅助照明设备和光学成像设备三种设备的的视轴和光轴方向基本一致；

③在水下密封结构整体的前方距离10m处放置两个大小相同的物体，两个物体的位置相隔尽量远，但必须在多波束声纳和光学成像设备的成像视场内；

④观察融合成像处理系统的图像显示器上显示的声纳和光学图像，精细调整位置调节装置，使得两个目标的声纳和光学图像的中心位置都完全重合。

所述步骤4）具体包括以下步骤：

①采集多波束声纳设备得到的图像，经过声纳图像数据线传输至融合成像处理系统，得到声纳图像；

②融合成像处理系统对声纳图像采用对比度增强，通过二值化的算法进行处理，得到对比度增强的声纳图像；

③融合成像处理系统对对比度增强的声纳图像采用纵向空间范围筛选的算法进行处理，然后进行对象生成，排序及命名，得到水下目标的高清图像。

所述的光学成像设备采用可水下运行的防水相机。

所述的多波束声纳设备采用高频二维成像声纳硬件系统。

所述的融合成像处理系统采用嵌入式计算硬件平台，并连接图像显示器，用于处理并显示融合处理后的声纳图像。

所述的位置调节装置采用可精密调整并锁定位置的二维调节架。

本发明具有如下优点：

整合多波束声纳设备和光学成像设备，通过融合成像处理系统进行图像融合算法处理，并通过激光辅助照明设备进一步精确定位，方便在声纳图像获取目标的位置后光学图像的快速获取，获得对水下环境和水下目标准确、全面、可靠的信息。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图。

图2是二维多波束声纳采集得到的声纳图像。

图3是采用对比度增强，二值化的算法处理得到的声纳图像。

图4是采用纵向空间范围筛选的算法进行处理，然后进行对象生成，排序及命名，得到的声纳图像。

图5是采集得到的光学图像。

图6是融合后得到的图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1所示，本实施例采用的多波束声纳和激光辅助照明成像设备，其结构包括密封舱（水下密封结构）、相机（光学成像设备）、二维声纳（多波束声纳设备）、插头、电池、嵌入式计算硬件平台（融合成像处理系统）、激光器（激光辅助照明设备）、头盔显示器（图像显示器）以及二维调节架（位置调节装置）；其中相机、二维多波束声纳设备和插头设于密封舱顶部表面，嵌入式计算硬件平台和电池设于密封舱内部，相机和二维声纳的底部分别设有二维调节架，激光器和头盔显示器设于密封舱外部上方；图中的箭头直线表示数据线连接关系和数据传输方向，虚线表示电源缆线的结构和连接关系。

本实施例的具体工作过程是：

S1. 在装置使用前，调节声纳传感探头、相机和激光器三种设备的视轴和光轴方向一致。

在所述步骤S1中，包括以下步骤：

S1-1. 把装置放置在水质干净、光照条件好的水下，启动装置；

S1-2. 初步调整二维调节架上的旋钮，使得二维声纳传感探头、相机和激光器三种设备的的视轴和光轴方向基本一致；

S1-3. 装置的前方距离10m处放置两个大小相同的物体，两个物体的位置相隔尽量远，但必须在二维声纳和相机的成像视场内；

S1-4. 观察嵌入式计算硬件平台连接的头盔显示器上显示的声纳和光学图像，精细调整二维调节架，使得两个目标的声纳和光学图像的中心位置都完全重合。

S2. 装置前期校正完成后，二维调节架完全锁死，保证装置工作时，相机、二维声纳设备的视轴方向保持一致。

S3. 装置在水下工作时，除了激光器不启动，其他设备都启动。

S4. 二维声纳设备发出声纳探测水下目标，嵌入式计算硬件平台通过相关算法对声纳图像处理，获得水下目标的高清图像。

在所述步骤S4中，包括以下步骤：

S4-1. 采集得到的声纳图像图1经过声纳图像数据线传输至嵌入式计算硬件平台，得到的声纳图像如图2所示；

S4-2. 嵌入式计算硬件平台对图2采用对比度增强，二值化的算法进行处理，得到的声纳图像如图3所示；

S4-3. 嵌入式计算硬件平台对图3采用纵向空间范围筛选的算法进行处理，然后进行对象生成，排序及命名，得到的声纳图像如图4所示。

S5. 根据相机和声纳设备视场大小的比例，嵌入式计算硬件平台可以标记出相机图像中存在目标的条带区域（条带宽度为目标对应的宽度）；启动激光器后，通过观察头盔显示器，手动控制二维调节架上的旋钮，使得照明光束在这些条带区域中扫描；光束照到目标上时，头盔显示器给出的光学图像，如图5所示。

S6. 对图5进行图像去噪增强、自适应二值化分割、像素消融及聚类算法处理，可以获得目标的高度，根据声纳图像得到目标的宽度信息，可以用红色方框显示出水下目标的高度和宽度，最后显示的结果如图6所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接简介运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法，其特征是包括以下步骤：

1）将多波束声纳设备、激光辅助照明设备和光学成像设备安装于同一水下密封结构中，并连接融合成像处理系统和电池；多波束声纳设备和光学成像设备底部加装位置调节装置；

2）在使用前，调节多波束声纳设备的传感器探头与光学成像设备的视轴和激光辅助照明设备的光轴方向一致；前期校正完成后，将各设备的位置完全锁死，保证工作时光学成像设备和多波束声纳设备的视轴方向保持一致；

3）装置进入水下正式工作，除了激光辅助照明设备先不启动，其他设备都启动；

4）多波束声纳设备发出声纳探测水下目标，将获得的声纳图像传输至融合成像处理系统，融合成像处理系统通对声纳图像处理，获得水下目标的高清图像；

5）根据光学成像设备和声纳设备视场大小的比例，融合成像处理系统标记出光学成像设备图像中存在目标的条带区域，条带宽度为目标对应的宽度；启动激光辅助照明设备后，通过观察图像显示器，手动控制位置调节装置上的旋钮，使得照明光束在条带区域中扫描；光束照到目标上时，图像显示器给出光学图像；

6）融合成像处理系统对步骤5）得到的图像进行图像去噪增强、自适应二值化分割、像素消融及聚类算法处理，获得目标的高度，根据声纳图像得到目标的宽度信息，在图像显示器中显示出水下目标的高度和宽度。

2.根据权利要求1所述的采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法，其特征是所述步骤2）具体包括以下步骤：

①把水下密封结构整体放置在水质干净、光照条件好的水下，启动各设备；

②初步调整位置调节装置，使得多波束声纳设备、激光辅助照明设备和光学成像设备三种设备的的视轴和光轴方向基本一致；

③在水下密封结构整体的前方距离10m处放置两个大小相同的物体，两个物体的位置相隔尽量远，但必须在多波束声纳和光学成像设备的成像视场内；

④观察融合成像处理系统的图像显示器上显示的声纳和光学图像，精细调整位置调节装置，使得两个目标的声纳和光学图像的中心位置都完全重合。

3.根据权利要求1所述的采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法，其特征是所述步骤4）具体包括以下步骤：

①采集多波束声纳设备得到的图像，经过声纳图像数据线传输至融合成像处理系统，得到声纳图像；

②融合成像处理系统对声纳图像采用对比度增强，通过二值化的算法进行处理，得到对比度增强的声纳图像；

③融合成像处理系统对对比度增强的声纳图像采用纵向空间范围筛选的算法进行处理，然后进行对象生成，排序及命名，得到水下目标的高清图像。

4.根据权利要求1所述的采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法，其特征是所述的光学成像设备采用防水相机。

5.根据权利要求1所述的采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法，其特征是所述的多波束声纳设备采用高频二维成像声纳硬件系统。

6.根据权利要求1所述的采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法，其特征是所述的融合成像处理系统采用嵌入式计算硬件平台，并连接图像显示器，用于处理并显示融合处理后的声纳图像。

7.根据权利要求1所述的采用多波束声纳和激光辅助照明成像设备的融合成像方法，其特征是所述的位置调节装置采用二维调节架。