CN110944153A - 一种用于水下的四目立体视觉成像系统及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于水下的四目立体视觉成像系统及成像方法，该系统包括零浮力支架和安装在零浮力支架上的水下主控装置、水下供电与存储装置和四个水下成像与照明装置，四个水下成像与照明装置朝前后左右四个方向布置，水下供电与存储装置和四个水下成像与照明装置均通过零浮力电缆与水下主控装置相连；所述水下主控装置、水下供电与存储装置以及四个水下成像与照明装置各自具有独立的密封舱，且均采用零浮力结构。该密封舱在满足水下密封的前提下，能够提供足够的浮力，使得系统整体结构在水下具有零浮力的状态，以解决现有的水下成像设备由于重力和浮力的不平衡导致原有的水下结构物平衡系统失衡问题。

Description

一种用于水下的四目立体视觉成像系统及成像方法

技术领域

本发明涉及水下光学成像探测技术领域，尤其涉及一种用于水下的四目立体视觉成像系统及成像方法。

背景技术

水下成像技术作为一种面向海洋资源调查、环境监测等领域的视觉观测技术，在世界范围内得到日益广泛的应用。水下拖体作为目前海洋探测的主要载体，在海洋水下探测中发挥着重要的作用。然而，目前大多数拖体在水下工作时都是根据其高度计或者其他定位系统进行环境探测，岸上工作人员对水下的状况不甚了解，对整个拖体的周围的环境知之甚少，为了获取更多拖体周围的信息，目前大多数的做法是给拖体安装一个光学成像设备，对水下周围环境进行成像。目前水下光学成像设备比较单一，都是采用单摄像头进行水下成像，且设备没有采用零浮力设计，容易导致水下拖体失去其原有的水下平衡状态，同时需要拖体给它们提供额外的电源接口和通讯接口，这不仅大大增加了原有系统的复杂度和成本，而且通常只能安装在特定的拖体上才能工作，不够通用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种应用于水下的四目立体视觉成像方法及系统，应用于水下拖体，具有零浮力、自容式、自供电的特点。

解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于水下的四目立体视觉成像系统，包括零浮力支架和安装在零浮力支架上的水下主控装置、水下供电与存储装置和四个水下成像与照明装置，四个水下成像与照明装置朝前后左右四个方向布置，水下供电与存储装置和四个水下成像与照明装置均通过零浮力电缆与水下主控装置相连；所述水下主控装置、水下供电与存储装置以及四个水下成像与照明装置各自具有独立的密封舱，且均采用零浮力结构。该密封舱在满足水下密封的前提下，能够提供足够的浮力，使得系统整体结构在水下具有零浮力的状态，以解决现有的水下成像设备由于重力和浮力的不平衡导致原有的水下结构物平衡系统失衡问题。

进一步的，所述水下主控装置包括第一密封舱以及设置在第一密封舱内的中央处理模块、电源调度模块、存储调度模块、光强控制模块和图像处理模块；中央处理模块连接图像处理模块对水下成像及照明装置进行通讯和图像获取，并将获取到的图像视频数据通过存储调度模块存储到所述水下供电与存储装置中，中央处理模块控制图像处理模块对图像数据进行分析处理以获取摄像机所需光照强度，然后控制光强控制模块对水下成像及照明装置中的光照强度进行调节以使摄像机具有合适的光照强度。

进一步的，所述第一密封舱的体积与整体重量的权衡设计使得整体重力等于水下浮力，从而达到在水下处于零浮力的状态。

进一步的，所述水下供电与存储装置包括第二密封舱及安装在第二密封舱内的充电模块、蓄电模块、放电模块、光源供电模块、主控供电模块、摄像机供电模块、存储供电模块、存储模块；充电模块与蓄电模块相连，对蓄电模块进行充电，蓄电模块与放电模块进行连接，放电模块分别与光源供电模块、主控供电模块、摄像机供电模块、存储供电模块进行连接。

所述水下供电与存储模块通过所述零浮力水密电缆将水下供电与存储模块密封舱体上的水密接插件与所述水下主控模块密封舱体上的水密接插件进行连接，从而进行供电及摄像机图像视频数据存储与电源供应，所述水下供电与存储模块密封舱体采用分舱设计，独立成舱，便于快速更换水下电源和存储设备，本系统自带电源设备解决水下作业供电困难问题，自带存储设备解决水下大量数据传输困难问题，极大的降低了开发周期，降低了系统集成复杂度。

进一步的，所述第二密封舱通过体积与整体重量的权衡，使第二密封舱的重力等于水下浮力，从而到达第二密封舱在水下处于零浮力的状态。

进一步的，所述水下成像与照明装置包括第三密封舱以及安装在第三密封舱内的光源恒流驱动模块、照明模块、图像获取模块、摄像模块；第三密封舱上嵌有光学玻璃，照明模块透过光学玻璃窗口提供照明，摄像模块通过图像获取模块透过光学玻璃窗口实时获取视频和图像数据，并通过图像处理模块计算出当前帧图像数据所需要的光照强度，然后经过光强控制模块控制光源恒流驱动模块调节照明模块的亮度以完成图像数据获取。

进一步的，所述第三密封舱通过体积与整体重量的权衡，使第三密封舱整体重力等于水下浮力，从而到达第三密封舱在水下处于零浮力的状态。

进一步的，水下主控装置分别获取和/或存储四个水下成像与照明模块的四路视频数据。同时，水下主控装置可以对获取的四路视频数据进行融合拼接。为了降低功耗，所述水下成像与照明模块中的所述照明模块根据所述摄像模块获取的图像亮度大小实时调节照明模块的亮度。

本发明的第二目的是提供一种用于水下的四目立体视觉成像系统的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将整个水下的四目立体视觉成像系统安装在水下载体上，如水下托体；

(2)系统在下水之前直接上电进行初始化；

(3)四个水下成像与照明模块根据在不同水体下的图像亮度，自适应调节照明模块光照强度和成像系统曝光量的大小，以获取理想的水下图像；

(4)四路视频数据分两路进行处理，一路进行4路融合拼接并存储，另一路将4路视频数据直接进行独立存储；

(5)当达到水下最大工作时间时，将水下供电与存储装置从水下载体取下，并进行快速更换；

(6)对从水下载体取下的水下供电与存储装置进行充电和图像数据拷贝。

本发明的有益效果是，在不需要对水下拖体进行任何改装的前提下，通过零浮力、自存储、自供电的方式，方便、安全的对水下拖体作业时的海底周围环境进行记录和监测，通过后期视频回放和处理，便于优化海洋拖体作业方法，提高拖体作业安全。采用左、右、前、下四个方向的照明及成像，全方位的获取拖体等海洋结构物的周围图像；对于水下作业比较苛刻的能耗要求，本方案采用自供电的方式进行优化，通过图像处理及控制优化算法，对光源强度进行自适应调节，极大的降低了系统的功耗，延长水下作业时间，具体优化方法为：根据水下图像的直方图统计信息，获取当前环境下图像亮度和分布，根据图像的亮度直方图信息确定图像亮度需要补偿的大小，根据该大小，优先调节曝光和增益直到调整到相应的阈值；如果还不能够满足图像质量要求，再根据调节过后的水下图像直方图统计信息以及水下图像亮度与光源强度的对应关系，调节光源强度大小，直至光强调节至最大或者满足成像要求为止；为了解决水下平衡系统在添加额外设备时容易导致失衡问题，本发明提出了对整个成像系统进行水下零浮力设计的方案，消除了因为重力导致的原有系统水下失衡问题；同时本发明采用供电和存储与水下主控装置进行分舱设计的方法，便于海洋船板作业时快速更换供电和存储设备，在海洋作业条件下提高更换电池和存储的速度，节省作业时间。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明实施例提供的系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的水下主控装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的水下供电及存储装置的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的水下摄像及照明装置的结构示意图；

图中，1、水下供电与存储模块；2、水下主控模块；3、水下前视摄像及照明模块；4、水下左视摄像及照明模块；5、水下右视摄像及照明模块；6水下下视摄像及照明模块；7、充电模块；8、蓄电模块；9、放电模块；10、光源供电模块；11、主控供电模块；12、摄像机供电模块；13、存储供电模块；14、中央处理模块；15、电源调度模块；16、存储调度模块；17、光强控制模块；18、图像处理模块；19、光源恒流驱动模块；20、照明模块；21、图像获取模块、22、摄像模块；23、密封后盖；24、密封舱体；25、密封前盖；26、零浮力水密电缆；27、水密接插件；28、水密接插件；29、零浮力水密电缆；30、密封后盖；31、密封舱体；32、密封前盖；33、通光孔；34、玻璃压盖；35、光学玻璃；36、水密接插件；37、零浮力水密电缆；

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有的实施方式。相反，它们仅是与如所附中权利要求书中所详述的，本申请的一些方面相一致的装置的例子。本说明书的各个实施例均采用递进的方式描述。

需要说明，本申请实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本申请中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

如图1所示，本发明提供一种用于水下的四目立体视觉成像系统，包括零浮力支架和安装在零浮力支架上的水下主控装置、水下供电与存储装置和四个水下成像与照明装置，四个水下成像与照明装置朝前后左右四个方向布置，水下供电与存储模块1通过其密封舱体40上的水密接插件43与水下主控模块(Hisi 3559A)2密封舱体24上的水密接插件(SubConn Circular–6,8and 10contacts)28进行电气相连，同时水下主控模块2通过其密封舱体24上的水密接插件28分别与水下前视摄像及照明模块(Deepsea)3、水下左视摄像及照明模块4、水下右视摄像及照明模块5、水下下视摄像及照明模块6上密封舱体通过水密接插件与零浮力水密电缆进行电气连接；所述水下主控装置、水下供电与存储装置以及四个水下成像与照明装置各自具有独立的密封舱，且均采用零浮力结构。该密封舱在满足水下密封的前提下，能够提供足够的浮力，使得系统整体结构在水下具有零浮力的状态，以解决现有的水下成像设备由于重力和浮力的不平衡导致原有的水下结构物平衡系统失衡问题。

图2中，水下主控装置包括中央处理模块14、电源调度模块15、存储调度模块16、光强控制模块17、图像处理模块18、第一密封舱、零浮力水密电缆26、水密接插件27、水密接插件28、零浮力水密电缆29。所述第一密封舱包括密封舱体24、密封前盖25、密封后盖23；中央处理模块14、电源调度模块15、存储调度模块16、光强控制模块17、图像处理模块18固定在密封舱体24内，密封前盖25与密封后盖23分别安装在密封舱体24的前后端口，从而将中央处理模块14、电源调度模块15、存储调度模块16、光强控制模块17、图像处理模块18密封在密封舱体24中，水密接插件26固定在所述密封前盖25上，通过零浮力水密电缆26与外界连接，同样，水密接插件28固定在所述密封后盖23上，通过零浮力水密电缆29与外界连接。中央处理模块14连接图像处理模块18对水下成像及照明装置进行通讯和图像获取，并将获取到的图像视频数据通过存储调度模块16存储到所述水下供电与存储装置中，中央处理模块14控制图像处理模块18对图像数据进行分析处理以获取摄像机所需光照强度，然后控制光强控制模块17对水下成像及照明装置中的光照强度进行调节以使摄像机具有合适的光照强度，中央处理模块14主控芯片包括但不限于FPGA、ARM、DSP以及微型笔记本电脑。密封舱体24的体积和厚度在满足中央处理模块14、电源调度模块15、存储调度模块16、光强控制模块17、图像处理模块18安放以及水下密封的条件下，通过体积与整体重量的权衡设计，即系统的整体重力等于水下浮力，到达系统在水下处于零浮力的状态。

图3中，水下供电与存储装置包括充电模块7、蓄电模块8、放电模块9、光源供电模块10、主控供电模块11、摄像机供电模块12、存储供电模块13、存储模块38、第二密封舱、零浮力水密电缆42、水密接插件43。所述第二密封舱包括密封后盖39、密封舱体40、密封前盖41；充电模块7、蓄电模块8、放电模块9、光源供电模块10、主控供电模块11、摄像机供电模块12、存储供电模块13、存储模块38固定在密封舱体40内，密封前盖41与密封后盖39分别安装在密封舱体40的前后端口，从而将充电模块7、蓄电模块8、放电模块9、光源供电模块10、主控供电模块11、摄像机供电模块12、存储供电模块13、存储模块38密封在密封舱体40中，水密接插件43固定在密封前盖41上，通过零浮力水密电缆42与外界连接。存储模块38通过水密接插件43以及零浮力水密电缆42与外界系统连接，存储模块38包括但不限于硬盘、闪存卡、软盘。充电模块7与蓄电模块8相连，对蓄电模块8进行充电，蓄电模块8与放电模块9进行连接，放电模块9分别与光源供电模块10、主控供电模块11、摄像机供电模块12、存储供电模块13进行连接，对所述水下主控装置、存储模块38以及4路水下成像及照明装置进行电力供应。具体的，充电模块7根据现有技术对蓄电模块8进行充电，蓄电模块8储备的电能通过放电模块8控制光源供电模块10、主控供电模块11、摄像机供电模块12、存储供电模块13分别对所述水下主控装置、所述水下左视成像及照明装置、所述水下右视成像及照明装置、所述水下前视成像及照明装置、所述水下下视成像及照明装置以及所述水下供电与存储装置中的存储模块38进行供电。密封舱体40的体积和厚度在满足充电模块7、蓄电模块8、放电模块9、光源供电模块10、主控供电模块11、摄像机供电模块12、存储供电模块13、存储模块38安放以及水下密封的条件下，通过体积与整体重量的权衡设计，即系统的整体重力等于水下浮力，到达系统在水下处于零浮力的状态。

图4为水下摄像及照明装置，包括光源恒流驱动模块19、照明模块20、图像获取模块21、摄像模块22、第三密封舱、水密接插件36、零浮力水密电缆37。第三密封舱包括密封后盖30、密封舱体31、密封前盖32、玻璃压盖34、光学玻璃35；光源恒流驱动模块19、照明模块20、图像获取模块21、摄像模块22安放在密封舱体31内部，密封前盖32与密封后盖30分别安装在密封舱体31的前后端口，从而将光源恒流驱动模块19、照明模块20、图像获取模块21、摄像模块22密封在密封舱体31中，水密接插件36固定在密封后盖30上，通过零浮力水密电缆37与外界连接。密封舱体31通过光学玻璃35、玻璃压盖34以及密封后盖30进行水压密封，同时照明模块20透过光学玻璃35窗口提供照明，照明的强度由光强控制模块17控制光源恒流驱动模块19完成，图像获取模块21与摄像模块22相连，光源恒流驱动模块19以及图像获取模块与水密接插件36通过零浮力水密电缆37与其他装置连接，为了节约能源，光源强度的大小通过水下的具体环境来实时调节，具体方法为：摄像模块22通过图像获取模块21透过光学玻璃35窗口实时获取视频和图像数据，并通过水下主控装置中的图像处理模块18计算出当前帧图像数据所需要的光照强度，然后经过水下主控装置中的光强控制模块17控制水下摄像及照明装置中的光源恒流驱动模块19调节照明模块20的亮度以完成图像数据获取。密封舱体31的体积和厚度在满足光源恒流驱动模块19、照明模块20、图像获取模块21、摄像模块22安放以及水下密封的条件下，通过体积与整体重量的权衡设计，即系统的整体重力等于水下浮力，到达系统在水下处于零浮力的状态。

基于以上提供的一种用于水下的四目立体视觉成像系统，该系统的成像方法包括如下步骤：

(1)将用于水下的四目立体视觉成像系统安装在水下载体上，如水下托体；

(2)系统在下水之前直接上电进行初始化；

(3)四个水下成像与照明模块根据在不同水体下的图像亮度，自适应调节照明模块光照强度和成像系统曝光量的大小，以获取理想的水下图像；本方案采用自供电的方式进行优化，通过图像处理及控制优化算法，对光源强度进行自适应调节，极大的降低了系统的功耗，延长水下作业时间，具体优化方法为：根据水下图像的直方图统计信息，获取当前环境下图像亮度和分布，根据图像的亮度直方图信息确定图像亮度需要补偿的大小，根据该大小，优先调节曝光和增益直到调整到相应的阈值；如果还不能够满足图像质量要求，再根据调节过后的水下图像直方图统计信息以及水下图像亮度与光源强度的对应关系，调节光源强度大小，直至光强调节至最大或者满足成像要求为止；

(4)四路视频数据分两路进行处理，一路进行4路融合拼接并存储，另一路将4路视频数据直接进行独立存储；

(5)当达到水下最大工作时间时，将水下供电与存储装置从水下载体取下，并进行快速更换；

(6)对从水下载体取下的水下供电与存储装置进行充电和图像数据拷贝。

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，或直接或间接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 (10)

1.一种用于水下的四目立体视觉成像系统，其特征在于，包括零浮力支架和安装在零浮力支架上的水下主控装置、水下供电与存储装置和四个水下成像与照明装置，四个水下成像与照明装置朝前后左右四个方向布置，水下供电与存储装置和四个水下成像与照明装置均通过零浮力电缆与水下主控装置相连；所述水下主控装置、水下供电与存储装置以及四个水下成像与照明装置各自具有独立的密封舱，且均采用零浮力结构。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下的四目立体视觉成像系统，其特征在于，所述水下主控装置包括第一密封舱以及设置在第一密封舱内的中央处理模块、电源调度模块、存储调度模块、光强控制模块和图像处理模块；中央处理模块连接图像处理模块对水下成像及照明装置进行通讯和图像获取，并将获取到的图像视频数据通过存储调度模块存储到所述水下供电与存储装置中，中央处理模块控制图像处理模块对图像数据进行分析处理以获取摄像机所需光照强度，然后控制光强控制模块对水下成像及照明装置中的光照强度进行调节以使摄像机具有合适的光照强度。

3.根据权利要求2所述的一种用于水下的四目立体视觉成像系统，其特征在于，所述第一密封舱的体积与整体重量的权衡设计使得整体重力等于水下浮力，从而达到在水下处于零浮力的状态。

4.根据权利要求2所述的一种用于水下的四目立体视觉成像系统，其特征在于，所述水下供电与存储装置包括第二密封舱及安装在第二密封舱内的充电模块、蓄电模块、放电模块、光源供电模块、主控供电模块、摄像机供电模块、存储供电模块、存储模块；充电模块与蓄电模块相连，对蓄电模块进行充电，蓄电模块与放电模块进行连接，放电模块分别与光源供电模块、主控供电模块、摄像机供电模块、存储供电模块进行连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于水下的四目立体视觉成像系统，其特征在于，所述第二密封舱通过体积与整体重量的权衡，使第二密封舱的重力等于水下浮力，从而到达第二密封舱在水下处于零浮力的状态。

6.根据权利要求4所述的一种用于水下的四目立体视觉成像系统，其特征在于，所述水下成像与照明装置包括第三密封舱以及安装在第三密封舱内的光源恒流驱动模块、照明模块、图像获取模块、摄像模块；第三密封舱上嵌有光学玻璃，照明模块透过光学玻璃窗口提供照明，摄像模块通过图像获取模块透过光学玻璃窗口实时获取视频和图像数据，并通过图像处理模块计算出当前帧图像数据所需要的光照强度，然后经过光强控制模块控制光源恒流驱动模块调节照明模块的亮度以完成图像数据获取。

7.根据权利要求6所述的一种用于水下的四目立体视觉成像系统，其特征在于，所述第三密封舱通过体积与整体重量的权衡，使第三密封舱整体重力等于水下浮力，从而到达第三密封舱在水下处于零浮力的状态。

8.根据权利要求6所述的一种用于水下的四目立体视觉成像系统，其特征在于，水下主控装置分别获取和/或存储四个水下成像与照明模块的四路视频数据。

9.根据权利要求6所述的一种用于水下的四目立体视觉成像系统，其特征在于，水下主控装置对获取的四路视频数据进行融合拼接。

10.一种用于水下的四目立体视觉成像系统的成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将权利要求1-9任一项所述的一种用于水下的四目立体视觉成像系统安装在水下载体上；

(2)系统在下水之前直接上电进行初始化；

(3)四个水下成像与照明模块根据在不同水体下的图像亮度，自适应调节照明模块光照强度和成像系统曝光量的大小，以获取理想的水下图像；

(4)四路视频数据分两路进行处理，一路进行4路融合拼接并存储，另一路将4路视频数据直接进行独立存储；

(5)当达到水下最大工作时间时，将水下供电与存储装置从水下载体取下，并进行快速更换；

(6)对从水下载体取下的水下供电与存储装置进行充电和图像数据拷贝。

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