CN213812165U - 一种应用于水下的三维扫描成像系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种应用于水下的三维扫描成像系统，所述三维扫描成像系统用于采集目标物的图像信息，所述三维扫描成像系统包括线激光器(1)，黑白扫描相机(2)和彩色补偿相机(3)，所述三维扫描成像系统还包括LED照明灯(4)，所述LED照明灯用于为所述彩色补偿相机(3)提供照明，所述线激光器(1)和所述黑白扫描相机(2)、所述彩色补偿相机(3)位于同一水平线，所述三维扫描成像系统还包括2组由振镜电机和振镜镜片组成的光学组件，所述2组光学组件用于调节所述线激光器(1)发出的激光光束的扫描范围，所述黑白扫描相机(2)的采集帧数大于200帧/s，所述彩色补偿相机(3)的采集帧数小于120帧/s。

Description

一种应用于水下的三维扫描成像系统

技术领域

本申请涉及海洋探测技术领域，特别是涉及一种应用于水下的三维扫描成像系统。

背景技术

目前，海洋复杂地形扫描多数依靠声学系统，扫描面积大，设备体积大，精度低，细节还原差，适合大面积的地形扫描，对于海底管道或者沉船等的细节展示效果差；目前水下复杂地形扫描系统大都搭载在船舶上，设备功耗较大，不适合搭载到中小型ROV上，使用便利性较差；现有水下复杂地形扫描系统中的光学扫描设备，需要长臂支架放置激光器和摄像机，体积较大，无法应用到复杂工况中，而且传统水下复杂地形扫描系统的采集数据需要后期处理才能展示扫描物体的三维图形，实时性差，不能进行现场分析。

因此，目前亟需一种可以方便搭载在ROV平台上的三维扫描成像设备。

发明内容

本申请实施例中提供了一种应用于水下的三维扫描成像系统，可以方便搭载在ROV平台上的三维扫描成像设备。

第一方面，提供一种应用于水下的三维扫描成像系统，所述三维扫描成像系统用于采集目标物的图像信息，所述三维扫描成像系统包括线激光器1，黑白扫描相机2和彩色补偿相机3，所述线激光器1和所述黑白扫描相机2、所述彩色补偿相机3位于同一水平线，所述三维扫描成像系统还包括2组由振镜电机和振镜镜片组成的光学组件，所述2组光学组件用于调节所述线激光器1发出的激光光束的扫描范围，所述黑白扫描相机2的采集帧数大于200 帧/s，所述彩色补偿相机3的采集帧数小于120帧/s。

结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述三维扫描成像系统的壳体材质为铝合金或钛合金，所述线激光器1为功率在500mW 和1W之间的蓝绿线激光器，所述线激光器1与所述黑白扫描相机2的间距为20～30cm。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述三维扫描成像系统用于接收扫描指令，并根据所述扫描指令控制对所述目标成像物进行扫描，并获取所述目标成像物的图像信息，所述目标成像物的图像信息包括所述目标成像物的灰度信息和色度信息；所述耐压控制舱用于对所述目标成像物的图像信息进行处理，获得所述目标成像物携带颜色的三维图像。

结合第一方面及其上述实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述三维扫描成像系统还包括姿态传感器，所述三维扫描成像系统用于检测运行状态，并回传岸站控制端，当所述三维扫描成像系统有故障时，返回错误代码；当所述三维扫描成像系统正常时，所述姿态传感器用于检测所述三维扫描成像系统的姿态是否为水平状态，如果为非水平，则所述云台用于调整所述三维扫描成像系统的姿态为水平状态。

本申请的目的是开发一套适应于水下复杂地形的实时三维立体扫描系统，解决传统水下复杂地形三维扫描系统精度低、设备体积及功耗大、便利性差和实时性差的问题，实现可搭载于ROV(遥控无人潜水器Remote Operated Vehicle)平台的长时间、稳定的实时三维扫描。

因此，通过本系统可方便获取水下物体的实时三维图像，并且带有真实的色彩，精度可达0.1mm；本系统方便搭载在ROV平台上，体积、重量及功耗相对传统声学扫描设备可大幅度减少，可以应用的场景更多。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一个实施例设备的示意性框图。

图2为本申请另一实施例的设备的示意性框图。

图3为本申请一个实施例设备的示意性框图。

图4为本申请一个实施例设备的示意性框图。

图5为本申请一个实施例设备的示意性框图。

图6为本申请一个实施例设备的示意性框图。

图7为本申请一个工作场景的示意图。

图8为本申请另一个工作场景的示意图。

图9为本申请一个实施例的耐压控制舱的示意图。

图10为本申请另一个实施例的耐压控制舱的示意图。

图11为本申请另一个实施例的耐压控制舱的示意图。

图12为本申请一个实施例的方法的示意性流程图。

图13为本申请另一个实施例的方法的示意性流程图。

图14为本申请一个实施例的方法的示意性流程图。

图15为本申请另一个实施例的方法的示意性流程图。

图16为本申请一个实施例的方法的示意性流程图。

图17为本申请另一个实施例的方法的示意性流程图。

图18为本申请一个实施例的方法的示意性流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

本申请针对传统水下地形扫描系统的体积大、实时性差以及某些细节扫描不精细等问题，提出一种可用于水下复杂地形的实时三维立体扫描系统，包括三维扫描成像系统、高精度云台系统和耐压控制舱三部分，其中三维扫描成像系统负责扫描和采集水下物体的图像特征，高精度云台系统负责三维立体转动，耐压控制舱负责电源转换、实时处理以及信号传输。

具体地，如图1、图2和图3所示，所述三维扫描设备搭载于无人潜水器ROV，所述三维扫描成像设备包括：

三维扫描成像系统，如图4和图5所示，所述三维扫描成像系统用于采集目标物的图像信息；

云台，如图2和图6所示，所述云台包括固定底座5，以及相互正交的第一步进电机6和第二步进电机7，所述三维扫描成像系统安装于所述云台上，所述第一步进电机6用于控制所述三维扫描成像系统水平方向移动，所述第二步进电机7用于控制所述三维扫描成像系统竖直方向移动；

耐压控制舱，如图9、图10和图11所示，耐压控制舱包括耐压壳体、电源转换部分、视频处理部分、图像渲染部分以及信号传输部分，所述耐压控制舱用于对所述三维扫描成像系统采集的图像信息进行处理；

可旋转机械臂，所述机械臂用于控制所述云台在竖直方向上下移动，所述机械臂还可以控制所述云台绕所述机械臂的轴线旋转，所述可旋转机械臂用于控制所述云台垂直方向旋转扫描或水平方向旋转扫描；

其中，所述三维扫描成像系统通过高速水密缆与所述耐压控制舱之间传输所述三维扫描成像系统采集的图像信息，所述高速水密缆还用于传输所述耐压控制舱配置于所述三维扫描成像系统的设置参数，所述ROV与所述耐压控制舱通过光纤复合缆传输所述耐压控制舱处理后的图像信息，所述ROV 与所述耐压控制舱还通过光纤复合缆传输扫描控制命令，所述耐压控制舱与所述云台之间通过水密缆传输所述扫描控制命令，所述扫描控制命令，所述扫描控制命令用于驱动所述云台按照所述扫描控制命令进行扫描，所述云台与所述耐压控制舱之间还通过水密缆传输所述云台的位置信息。

可选地，作为本申请一个实施例，如图2所示，所述三维扫描成像系统包括线激光器1，黑白扫描相机2和彩色补偿相机3，所述扫描成像装置还包括LED照明灯4，所述LED照明灯用于为所述彩色补偿相机3提供照明,所述线激光器1和所述黑白扫描相机2、所述彩色补偿相机3位于同一水平线，所述三维扫描成像系统还包括2组由振镜电机和振镜镜片组成的光学组件，所述2组光学组件用于调节所述线激光器1发出的激光光束的扫描范围，所述黑白扫描相机2的采集帧数大于200帧/s，所述彩色补偿相机3的采集帧数小于120帧/s。

如图1所示，将三维扫描成像系统搭载到ROV机械臂上，云台固定底座与机械臂固定，机械臂可旋转，配合云台的上/下和左/右旋转，可实现对复杂地形的360度精细扫描。

三维扫描成像系统采集的图像特征，通过高速水密缆以视频流的形式，传输给耐压控制舱，由舱内的高速计算单元进行视频流处理，生产点云数据，同时通过ROV光纤复合缆获取岸站控制命令，驱动高精度云台以一定速度旋转固定的角度，然后经过三维建模和图像渲染，最后将处理好的信息压缩，经由ROV光纤复合缆，传输给岸站控制端进行显示，视频流的处理和压缩传输的延时小于30秒，基本可以实现实时图像的显示。

三维扫描成像系统(也称为扫描头)是整个扫描系统的核心，内部由线激光器、振镜电机、工业相机(黑白扫描相机)以及全彩CCD相机(彩色补偿相机)组成。

扫描头上部安装高亮LED照明灯，可为彩色相机提供照明。壳体可选用铝合金和钛合金，最大应用深度可达6000m，外形及内部结构如图4，图5 和图6所示。

具体地，线激光器和两个相机在统一水平线上，间隔20～30cm(可调整，根据扫描距离的不同，采用不同型号)。激光器选用成熟的500mW～1W蓝绿线激光器，线激光所张的角度可以为30度角。

传统水下地形扫描系统仅有一台高分辨率相机，无法同时实现超高帧数采集与色彩还原，仅能选择一种采集模式，即高帧数(大于200帧/s)的黑白图像采集模式或低帧数(小于120帧/s)的彩色图像采集模式。

本申请设计的扫描系统装配有两部相机，分为黑白扫描相机和彩色补偿相机，黑白扫描相机用来捕获与地形相互作用的线激光图像，彩色补偿相机用来获得扫描对象的真实色彩，可对扫描对象的色彩进行渲染还原。黑白扫描相机选用高帧数黑白的工业相机，可实现1080P画质情况下，最高250帧的捕获速率，可以实现0.5～1.5m范围内的高精度三维扫描，精度可达±0.1mm。相机采集的数据通过高速水密缆(网口)传输到耐压电子舱内进行处理。

振镜电机和振镜镜片配合可以实现线激光角度调整。传统水下地形扫描系统的摄像头和激光器都固定在支架上，两者之间设置一个固定的夹角，然后随支架一起转动，设定好最大旋转角度后，在水下进行扫描，这种方式结构简单，但体积大，且相机和线激光器角度需要事先确定，调整不灵活。

本申请三维扫描成像系统通过2个振镜电机搭建的2级反射光路，激光器角度可以根据扫描距离的远近灵活调整，扫描距离越近，角度设置越大，扫描的特征越详细，图像变形也越小。最大夹角为40°，且本系统搭配高精度云台，可实现360度三维扫描，已能满足绝大部分应用。

如图7和图8所示，通过高精度云台子系统可以实现三维立体扫描。例如对海底山丘的扫描过程，水平扫描可获得大部分山丘的外形信息，但被遮挡的部分无法获得外形信息，可通过ROV旋转臂与高精度云台子系统的配合，弥补仅水平方向扫描细节不足的缺点。

如图2所示，高精度云台子系统主要由两个正交放置的水下电机，通过焊接连接在一起的筒身，可以实现水平和垂向转动，然后三维扫描成像系统搭载在水平电机的输出轴上，精度云台子系统可以根据扫描物体的大小及要求的精细程度，调整运动步长，从0.0005°～0.036°/Step，并且内部集成旋转变压器进行运动状态的反馈，可以实现连续的精准调节。

具体地，高精度云台的运动部件采用步进电机和精密减速箱的输出方式，增加用于反馈位置的高精度旋转变压器，精密减速箱可以放大步进电机扭矩，提升带负载的能力；旋转轴的密封方式为油封密封，云台整体采用充油和自平衡的方式，可以实现水下3000米的连续精确运动。

可选地，如图18所示的耐压控制舱的内部模块的示意性结构图，电源转换部分负责各部分电源的供给和状态检测，由ROV输入24V电源，经过电源保护(短路和反接)及转换降压，转换成12V、5V和3.3V，其中12V给扫描成像子系统和云台子系统使用，5V和3.3V给视频处理、图像渲染部分以及信号传输部分使用。各路电源主路上都配备电流检测功能和可控通断功能，可以实时检测各路电源的电流使用情况，如果出现短路或者过电流情况，第一时间切断此路电源，保护后级电路不受影响。

扫描头采集的图像通过高速水密缆传输到耐压电子舱内进行处理，依次经过视频流处理部分、图像处理部分、图像渲染以及信号转换部分。

图12示出了本申请一个实施例的方法的示意性流程图，一种用于水下的三维扫描成像方法，该方法应用于上述所述的三维扫描成像设备，所述方法包括：

步骤1210，确定所述云台以水平姿态到达目标成像位置；

步骤1220，接收扫描指令，并根据所述扫描指令控制所述三维扫描成像系统对所述目标成像物进行扫描，并获取所述目标成像物的图像信息，所述目标成像物的图像信息包括所述目标成像物的灰度信息和色度信息；

步骤1230，对所述目标成像物的图像信息进行处理，获得所述目标成像物携带颜色的三维图像。

可选地，如图13所述，所述确定所述云台以水平姿态到达目标成像位置，包括：按照预定任务要求下降到预定深度，通过所述ROV搭载的传感器及摄像机，确定目标成像物，保持坐底或悬浮状态；检测所述三维扫描成像系统的状态，并回传岸站控制端，当所述三维扫描成像系统有故障时，返回错误代码；当所述三维扫描成像系统正常时，所述三维扫描成像系统内置的姿态传感器检测所述三维扫描成像系统的姿态是否为水平状态，如果为非水平，则通过所述云台调整所述三维扫描成像系统的姿态为水平状态。

具体地，结合图13，步骤一，ROV按照预定任务要求下降到预定深度，通过自身搭载的传感器及摄像机，找到需要扫描的地形，然后保持座底或者悬浮的状态(此处以海底复杂山丘为例，介绍系统的工作流程)；

步骤二，三维扫描成像系统检测各部分的状态，同时实时回传岸站控制端，操作人员可以清楚了解扫描系统各部分的状态。如果某一部分不能正常工作，返回错误代码，无法恢复时，ROV需要返航进行维修。

步骤三，如果一切正常，三维扫描成像系统内置的姿态传感器会检测扫描头的姿态是否为水平，如果非水平，通过云台调整，直到系统保持在合适的水平姿态。

步骤四，扫描成像设备(摄像头和激光器)开启，按照岸站设定的扫描速度和扫描角度，对海底山丘进行扫描，扫描的数据经过耐压舱中的高速计算单元实时处理和渲染后，通过ROV的光纤复合缆上传岸站控制端，操作人员可以实时看到海底山丘的三维渲染图像。

可选地，作为本申请一个实施例，控制所述三维扫描成像系统对所述目标成像物进行扫描，并获取所述目标成像物的图像信息，包括：

根据预设的控制指令，机械臂控制所述云台在竖直方向上下移动，所述机械臂控制所述云台绕所述机械臂的轴线旋转，所述可旋转机械臂还控制所述云台垂直方向旋转扫描或水平方向旋转扫描所述目标成像物。

可选地，作为本申请一个实施例，结合图14，所述云台内集成旋转变压器，所述方法还包括：所述旋转变压器跟随所述云台移动，并确定所述云台实际位移量；判断所述云台实际位移量与所述扫描指令指示的云台位移量是否一致，当所述云台实际位移量与所述扫描指令指示的云台位移量不一致时，向所述云台控制器发送反馈信息，所述反馈信息用于指示所述云台按照所述扫描指令指示的云台位移量继续运动。

可选地，作为本申请一个实施例，如图16所示，所述对所述目标成像物的图像信息进行处理，获得所述目标成像物携带颜色的三维图像，包括：对所述目标成像物进行图像捕捉，获得目标成像物的图像信息；对所述图像信息进行灰度处理和色度处理，并进行激光中心线提取，获得所述目标成像物的图像数据；对所述图像数据进行空间算法处理和点云数据处理，并进行可视化显示。

可选地，作为本申请一个实施例，如图17所示，所述对所述目标成像物的图像信息进行处理，获得所述目标成像物携带颜色的三维图像，包括：对所述三维扫描成像系统中彩色补偿相机获取的彩色图像信息进行图像提取、背景虚化、颜色提取和边缘细节处理，并结合所述三维扫描成像系统中黑白扫描相机获取的黑白图像进行上色渲染处理，获得所述目标成像物携带颜色的三维图像。

信号转换部分主要负责将处理完成的三维扫描图像的信息进行压缩处理，然后将网口协议转换成光纤传输协议，通过光纤复合缆传输到岸站控制端，在岸站控制端对数据进行解压缩，然后通过专用的处理软件打开数据包，可以呈现带真实色彩的水下山丘的三维图像。

发明的目的是开发一套适应于水下水下复杂地形的实时三维立体扫描系统，解决传统水下复杂地形三维扫描系统精度低、设备体积及功耗大、便利性差和实时性差的问题，实现可搭载于ROV(遥控无人潜水器Remote Operated Vehicle)平台的长时间、稳定的实时三维扫描。

因此，通过本系统可方便获取水下物体的实时三维图像，并且带有真实的色彩，精度可达0.1mm；本系统方便搭载在ROV平台上，体积、重量及功耗相对传统声学扫描设备可大幅度减少，可以应用的场景更多。

具体实现中，本申请还提供一种计算机存储介质，其中，该计算机存储介质可存储有程序，该程序执行时可包括本申请提供的各实施例中的部分或全部步骤。所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(英文：read-only memory，简称：ROM)或随机存储记忆体(英文：random access memory，简称：RAM)等。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本申请实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

Claims (4)

1.一种应用于水下的三维扫描成像系统，其特征在于，所述三维扫描成像系统用于采集目标成像物的图像信息，所述三维扫描成像系统包括线激光器(1)，黑白扫描相机(2)和彩色补偿相机(3)，所述三维扫描成像系统还包括LED照明灯(4)，所述LED照明灯用于为所述彩色补偿相机(3)提供照明，所述线激光器(1)和所述黑白扫描相机(2)、所述彩色补偿相机(3)位于同一水平线，所述三维扫描成像系统还包括2组由振镜电机和振镜镜片组成的光学组件，所述2组光学组件用于调节所述线激光器(1)发出的激光光束的扫描范围，所述黑白扫描相机(2)的采集帧数大于200帧/s，所述彩色补偿相机(3)的采集帧数小于120帧/s。

2.根据权利要求1所述的三维扫描成像系统，其特征在于，所述三维扫描成像系统的壳体材质为铝合金或钛合金，所述线激光器(1)为功率在500mW和1W之间的蓝绿线激光器，所述线激光器(1)与所述黑白扫描相机(2)的间距为20～30cm。

3.根据权利要求2所述的三维扫描成像系统，其特征在于，所述三维扫描成像系统用于接收扫描指令，并根据所述扫描指令控制对所述目标成像物进行扫描，并获取所述目标成像物的图像信息，所述目标成像物的图像信息包括所述目标成像物的灰度信息和色度信息；耐压控制舱用于对所述目标成像物的图像信息进行处理，获得所述目标成像物携带颜色的三维图像。

4.根据权利要求3所述的三维扫描成像系统，其特征在于，所述三维扫描成像系统还包括姿态传感器，所述三维扫描成像系统用于检测运行状态，并回传岸站控制端，当所述三维扫描成像系统有故障时，返回错误代码；当所述三维扫描成像系统正常时，所述姿态传感器用于检测所述三维扫描成像系统的姿态是否为水平状态，如果为非水平，则云台用于调整所述三维扫描成像系统的姿态为水平状态。

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