基于單目激光成像的水下圓目標狀態(tài)檢測.pdf

1、激光水下成像被廣泛應用于海洋、江河及湖泊探測等領域,這給基于視覺的水下目標探測提供了可能。利用二維圖像信息和三維空間目標之間的映射關系,可以反演目標相對于攝像機的方向和位置,從而得到目標的運動方向、速度和軌跡等信息。圓特征作為目標攜帶的最常見的特征之一,其定位問題一直是研究的熱點。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,很少有學者針對水下圓目標的定位展開研究。本論文通過連續(xù)激光水下成像,建立了水下圓目標的單目視覺成像模型,利

2、用圓目標的單幀圖像實現了目標的三維定位。主要的研究內容與成果如下:
　　(1)在室內自然光照環(huán)境下通過對直徑為500mm圓柱體目標的成像,驗證了大氣中圓特征的單目視覺成像模型,成功地從單幀圖像反演了目標距離,相對誤差穩(wěn)定在2％左右。在大氣成像模型的基礎上,針對水下攝像機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成像模型。該模型對光折射造成的圖像畸變進行了補償,并將目標定位問題分解為求圓錐方程和坐標系變換的問題

3、;
　　(2)基于水下圓特征的單目視覺成像模型,利用空間幾何方法推導了圓目標的方位檢測算法。該算法每一步計算都基于幾何約束,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%準確,就能零誤差地反演目標方位,這一點通過數值仿真得到了驗證。算法的局限性在于要求圓特征平面和攝像機平面之間的夾角在?15?范圍內。3DsMax仿真實驗表明,圓柱體目標從水下0.5~10m的不同高度入射,算法計算的圓特征法矢誤差低于1°、位置相對誤差

4、低于3%;
　　(3)像面橢圓提取的精度直接決定目標定位的精度。本論文在傳統(tǒng)方法的基礎上,提出一種曲率與距離共同約束的橢圓自動檢測算法。數值仿真結果表明,算法不受迭代初值影響,逼近速度快。仿真圖像實驗表明,算法對閉合輪廓的識別正確率在80%以上,對重疊輪廓的識別正確率在90%以上,并且對橢圓重疊率不敏感。無論從給定點集、仿真圖像還是真實圖像的橢圓檢測結果來看,算法的正確率、查全率和精度均優(yōu)于傳統(tǒng)方法,并且不受像素點個數的限制,而傳

5、統(tǒng)方法在像素點多于50個時精度明顯下降;
　　(4)基于前向散射和后向散射的圖像退化模型,對水下激光圖像的預處理方法進行了研究。同態(tài)濾波可以消除乘性噪聲,中值濾波對濾除散斑噪聲非常有效,將這兩種濾波結合起來,可以改善水下圖像的質量。主觀上從Canny邊緣檢測的結果來看,噪聲對圖像邊緣的影響降低,圓柱體目標上的橢圓特征得到了有效保留?？陀^上PSNR和NMSE兩項指標也說明了這種預處理方法的降噪能力、對圖像細節(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)針對一個實際的水域監(jiān)測問題,設計了水下圓目標定位系統(tǒng),給出了系統(tǒng)的總體框架設計以及各模塊的詳細設計。針對系統(tǒng)實現時的攝像機標定、視場盲區(qū)、安裝板形變等工程問題,給出了相應的解決方案。然后,利用3DsMax提供的虛擬現實技術,對系統(tǒng)進行仿真,在理想條件下說明了系統(tǒng)的可行性、有效性和定位精度。最后,在船池搭建了實驗系統(tǒng),對不同方位的直徑320mm,高1.6m的圓柱體目標進行了定位,同時也對圖像預處理方