水下成像技术

水下机器人视觉系统

戈立娜光信息科学与技术08133101

摘要：本文根据水下机器人视觉系统“水下应用”的具体需要，研究并确立水下机器人视觉系统的而整体配置及控制方法，对水下双目视觉定位系统的硬件结构、水下标定方法、水下图像处理及定位算法进行研究，并通过水下定位试验研究对该系统的精度进行分析。

关键词：水下机器人视觉系统

Abstract：In this thesis, the author made researches of vision-based underwater locating system on the underwater hardware design, underwater calibration method, underwater image processing algorithm and underwater locating algorithm. The locating experiment of the vision-based underwater locating system showed the accuracy of system.

Keywords: vision-based underwater locating system

引言：海洋是地球生物的发源地，拥有着广阔的水下空间和丰富的水下资源，对海洋资源的勘探和利用将大大有利于人类社会的进步。水下机器人技术史海洋探索和研究的核心，而拥有机器视觉的机器人将能更好的完成海底的勘探和引导机械手的水下操作。因此，发展水下视觉技术具有十分重要的意义，尤其是对作为水下视觉技术基础的水下视觉定位系统的研究更是如此。

1.水下机器人和机器视觉

水下机器人也称作水下潜水器，是一种可以在水下代替人完成某种任务的装置。它是水下高技术一起设备的集成体，它除集成有水下机器人载体的推进器、控制器、操作机械手、动力电源电缆、导航等仪器、设备外，根据应用目的的不同，还配备有声、光、电等不同类型的探测传感器。

机器视觉是建立在计算机视觉理论的基础上，偏重于计算机视觉技术工程化，它基于视觉但又不限于计算机视觉，是多学科、跨学科结合的产物。

目前，机器视觉技术正广泛的应用于各个方面，从医学图像到遥感图像，从工业检测到文件处理，从毫微米技术到多媒体数据库，不一而足。

2.双目视觉系统

在基于视觉的机械手控制系统中，摄像机充当着视觉传感器的角色，根据摄像机数目的不同，可以分为单目配置、双目配置、多目配置等几种。

双目视觉系统，即像人眼一样用两台摄像机来获取外界的图像信息进行处理，以控制机械手运动，也叫立体视觉系统。其对深度的获取简历在视差的计算上，而视差信息的获得其根本在于两幅图像之间特征点的匹配，一般有以下两种：基于区域的匹配方法；基于特征的匹配方法。

基于双目视觉系统水下的应用环境及操作需要，如本系统需要较为宽广的事业进行水下观测及定位；视觉机械手的运动需要根据机械手末端的视觉反馈信息进行一定的轨迹规划；在水下需要更为方便可靠的控制算法来计算深度信息等，同时结合单目Eye-in-Hand配置方式和双目Eye-to-Hand配置方式两者的提点，本水下视觉系统采用Eye-to-Hand的双目摄像机的布置方式对水下机器人进行配置，并通过改进水下视觉系统的性能，使其更加适合于视觉机械手在水下的应用。

3.系统硬件分析研究

典型的机器视觉系统硬件一般由镜头、视觉传感器、光源、滤光片、图像采集卡、图像处理模块、计算机、执行器等组成。

摄像机的作用是将通过镜头聚集于像平面的光线形成图像，将外界入射的光信号转变

成图像采集卡能处理的模拟电信号或者直接转变成计算机能理得数字信号，然后输出到外部处理器或计算机。摄像机有外壳封装、感光元件、图像数据处理电路等部分组成，器重最重要的就是感光元件，感光元件是一种光电传感器，将光信号转变成电信号，一般常用的有CCD和CMOS两种。

镜头是外界光线进入摄像机的门户，用于聚集外部光线在内部传感器原件上成像。下图是简化的针孔摄像机成像模型，外界光线通过的小缝便是简化的镜头。

真实的摄像机镜头都是使用具有一定形状和材质的透镜来收集和聚集光线，使得像平面光照足够强，成像锐利清晰。但是透镜的引入使得光线的入射和成像不再是直线，而是由于透镜的制造工艺等原因，一般都存在像差。实际镜头为了减少透镜引入造成的成像误差，如透镜的轴向畸变和切向畸变、景深因素等，往往有多个求新位于同一光轴上的光学镜片组成。

图像采集卡式机器视觉系统的重要组成部分，其功能是实现由摄像机采集到的模拟信号到计算机能处理的数字信号的转换，并经过PCI总线实时传到内存和显存。在采集过程中，由于采集卡传送数据采用PCI Master Burst 方式，图像传送的平均速度高达40MB/S，可实现摄像机图像到计算机内存的可靠实时传送，并且几乎不占用CPU时间，留给CPU更多的时间去做图像的运算与处理。

4.摄像机水下密封结构研究

常规的机器视觉系统一般用于水上空气中，不存在密封防水问题，而专用的水下摄像头虽然在市场上能够买到，但是价格非常昂贵。

密封结构的设计，首先要考虑的是该结构的密封防水效果，不仅在没入水下时不会进水，而且必须在深水压力环境下保证密封结构的防水性能；其次要考虑的是，该密封结构对摄像机光学系统的影响，即必须选择合适的透明材料作为密封几个狗的观测窗，保证光线能正常进入摄像机内；最后考虑的是摄像机在密封结构的安装及引线的问题，如何保证摄像机在密封设备内保持固定，以及如何对传输线路进行密封。

5.水下机器人研究的意义

水下机器人在水下进行作业是由于其工作环境往往是远离陆地的深海环境，单纯依靠岸上的操作手柄和传回的视频图像很难通过人的操作对海底的目标物或者样品进行很好的定位和操作。而搭载了机器视觉系统的水下机器人在水下摄像机系统拍摄到目标位唔的视频图像，并通过机器人控制器进行图像处理和计算后，能自主识别水下目标，并得到目标物相对于机器人的物理坐标，将坐标位置反馈到机械手控制系统后，就能指导机械手末端到达目标位置。此时，再配合水面上的操作摇杆进行人工操作，或者由机器人自主判断操作，便能很好的完成海底样品的采集和水下作业。