基于單目激光成像的水下圓目標(biāo)狀態(tài)檢測(cè).pdf

1、激光水下成像被廣泛應(yīng)用于海洋、江河及湖泊探測(cè)等領(lǐng)域,這給基于視覺(jué)的水下目標(biāo)探測(cè)提供了可能。利用二維圖像信息和三維空間目標(biāo)之間的映射關(guān)系,可以反演目標(biāo)相對(duì)于攝像機(jī)的方向和位置,從而得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方向、速度和軌跡等信息。圓特征作為目標(biāo)攜帶的最常見(jiàn)的特征之一,其定位問(wèn)題一直是研究的熱點(diǎn)。但在水下環(huán)境中,光的折射和散射造成了圖像畸變和退化,很少有學(xué)者針對(duì)水下圓目標(biāo)的定位展開(kāi)研究。本論文通過(guò)連續(xù)激光水下成像,建立了水下圓目標(biāo)的單目視覺(jué)成像模型,利

2、用圓目標(biāo)的單幀圖像實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的三維定位。主要的研究?jī)?nèi)容與成果如下:
　　(1)在室內(nèi)自然光照環(huán)境下通過(guò)對(duì)直徑為500mm圓柱體目標(biāo)的成像,驗(yàn)證了大氣中圓特征的單目視覺(jué)成像模型,成功地從單幀圖像反演了目標(biāo)距離,相對(duì)誤差穩(wěn)定在2％左右。在大氣成像模型的基礎(chǔ)上,針對(duì)水下攝像機(jī)通常被密封在水密容器中拍攝圖像的情況,提出了水下圓特征的單目視覺(jué)成像模型。該模型對(duì)光折射造成的圖像畸變進(jìn)行了補(bǔ)償,并將目標(biāo)定位問(wèn)題分解為求圓錐方程和坐標(biāo)系變換的問(wèn)題

3、;
　　(2)基于水下圓特征的單目視覺(jué)成像模型,利用空間幾何方法推導(dǎo)了圓目標(biāo)的方位檢測(cè)算法。該算法每一步計(jì)算都基于幾何約束,能夠提供閉合解,不存在迭代近似。因此只要像面橢圓方程100%準(zhǔn)確,就能零誤差地反演目標(biāo)方位,這一點(diǎn)通過(guò)數(shù)值仿真得到了驗(yàn)證。算法的局限性在于要求圓特征平面和攝像機(jī)平面之間的夾角在?15?范圍內(nèi)。3DsMax仿真實(shí)驗(yàn)表明,圓柱體目標(biāo)從水下0.5~10m的不同高度入射,算法計(jì)算的圓特征法矢誤差低于1°、位置相對(duì)誤差

4、低于3%;
　　(3)像面橢圓提取的精度直接決定目標(biāo)定位的精度。本論文在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上,提出一種曲率與距離共同約束的橢圓自動(dòng)檢測(cè)算法。數(shù)值仿真結(jié)果表明,算法不受迭代初值影響,逼近速度快。仿真圖像實(shí)驗(yàn)表明,算法對(duì)閉合輪廓的識(shí)別正確率在80%以上,對(duì)重疊輪廓的識(shí)別正確率在90%以上,并且對(duì)橢圓重疊率不敏感。無(wú)論從給定點(diǎn)集、仿真圖像還是真實(shí)圖像的橢圓檢測(cè)結(jié)果來(lái)看,算法的正確率、查全率和精度均優(yōu)于傳統(tǒng)方法,并且不受像素點(diǎn)個(gè)數(shù)的限制,而傳

5、統(tǒng)方法在像素點(diǎn)多于50個(gè)時(shí)精度明顯下降;
　　(4)基于前向散射和后向散射的圖像退化模型,對(duì)水下激光圖像的預(yù)處理方法進(jìn)行了研究。同態(tài)濾波可以消除乘性噪聲,中值濾波對(duì)濾除散斑噪聲非常有效,將這兩種濾波結(jié)合起來(lái),可以改善水下圖像的質(zhì)量。主觀上從Canny邊緣檢測(cè)的結(jié)果來(lái)看,噪聲對(duì)圖像邊緣的影響降低,圓柱體目標(biāo)上的橢圓特征得到了有效保留。客觀上PSNR和NMSE兩項(xiàng)指標(biāo)也說(shuō)明了這種預(yù)處理方法的降噪能力、對(duì)圖像細(xì)節(jié)的保真能力都優(yōu)于傳統(tǒng)的均

6、值濾波和維納濾波方法;
　　(5)針對(duì)一個(gè)實(shí)際的水域監(jiān)測(cè)問(wèn)題,設(shè)計(jì)了水下圓目標(biāo)定位系統(tǒng),給出了系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)以及各模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)。針對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)的攝像機(jī)標(biāo)定、視場(chǎng)盲區(qū)、安裝板形變等工程問(wèn)題,給出了相應(yīng)的解決方案。然后,利用3DsMax提供的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,在理想條件下說(shuō)明了系統(tǒng)的可行性、有效性和定位精度。最后,在船池搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)不同方位的直徑320mm,高1.6m的圓柱體目標(biāo)進(jìn)行了定位,同時(shí)也對(duì)圖像預(yù)處理方