一种浮标姿态测量装置及方法与流程

本发明实施例涉及海洋观测技术领域，尤其涉及一种浮标姿态测量装置及方法。

背景技术：

海洋参数观测技术是海洋资源开发和海洋权益保障的重要技术支撑，对我国的海防建设和海洋资源的利用和可持续发展具有十分重要的意义。海洋浮标是实现海洋动力环境和海气界面气象参数长期连续观测的主要手段，已成为海洋业务化观测必不可少的观测系统和离岸海洋观测的主要设备。

浮标在海洋环境中工作，其自身必然会受到诸如海浪、海流、风等海洋环境的影响，使得浮标产生俯仰、倾斜以及旋转等姿态变化。由于部分浮标(如波浪浮标、海气通量浮标等)在工作过程中需要浮标的姿态稳定在一定范围内，所以使得某些浮标在工作海况下保持姿态稳定是该类浮标在设计和布放时需要解决的关键问题。进一步地，保持浮标姿态稳定主要依赖于浮标姿态测量，通过所测量的浮标所偏移角度，对浮标做出相应的调整。

现有的浮标姿态测量方案主要是在浮标体内添加姿态自记式记录仪，在浮标体运动的同时，通过该姿态自记式记录仪内部价格昂贵的姿态传感器记录浮标的运动姿态。但是上述测量方案除成本较高外还改变了浮标自身的重心分布，不适用于快速精确地获取浮标实时姿态。

应当说明的是，以上技术问题是本发明人在实施本发明的过程中所发现的。

技术实现要素：

鉴于现有技术所存在的问题，本发明提供一种浮标姿态测量装置及方法，其目的在于通过两个图像采集器同步采集浮标的图像信息，并根据双目视觉测量原理确定浮标实时的姿态参数。

本发明实施例一方面提供一种浮标姿态测量装置，包括：

配置在待测量浮标外表面的浮标标识物；

对上述浮标标识物进行图像采集的第一图像采集器和第二图像采集器；

数据处理模块，用于识别并确定上述第一图像采集器和第二图像采集器所同步采集的第一图像信息和第二图像信息中上述浮标标识物的位置差异信息，和根据上述位置差异参数确定上述待测量浮标的浮标姿态参数。

结合本发明实施例的一方面，上述浮标标识物包括反光标识条和棋格形标定板，则上述数据处理模块用于根据上述第一图像信息和上述第二图像信息中上述棋格形标定板的位置确定上述第一图像采集器和上述第二图像采集器的相对位置信息，和根据所确定的第一图像采集器和上述第二图像采集器的相对位置信息建立世界坐标系；以及上述数据处理模块用于根据上述第一图像信息和第二图像信息中上述反光标识条的位置信息并结合上述世界坐标系，确定上述待测量浮标的浮标姿态参数。

结合本发明实施例的一方面，上述数据处理模块为计算机，其特征在于，上述浮标姿态测量装置还包括：与上述第一图像采集器、第二图像采集器和上述数据处理模块分别连接的分别连接的通信模块，上述通信模块用于将上述第一图像采集器和上述第二图像采集器所采集的图像信息发送至上述计算机。

结合本发明实施例的一方面，上述浮标姿态测量装置还包括：与上述通信模块连接的同步采集控制模块，用于控制将上述第一图像采集器和上述第二图像采集器所同步采集的第一图像信息和第二图像信息发送至上述计算机。

结合本发明实施例的一方面，上述浮标姿态测量装置还包括：与上述数据处理模块相连接的显示装置，上述显示装置用于显示上述浮标姿态参数。

结合本发明实施例的一方面，上述第一图像采集器和第二图像采集器为水平或竖直排列的工业相机，和上述第一图像采集器和上述第二图像采集器之间相距一定距离。

结合本发明实施例的一方面，上述浮标姿态参数为浮标的俯仰角和偏航角。

本发明实施例另一方面提供一种浮标姿态测量方法，使用了上述本发明一方面所提供的浮标姿态测量装置，具体本方法包括：

第一图像采集器和第二图像采集器分别同步拍摄采集上述待测量浮标的第一图像信息和第二图像信息；

上述数据处理模块运用图像处理技术获取上述第一图像信息和第二图像信息中棋格形标定板的相对位置信息，并建立参照坐标系；

上述数据处理模块获取上述第一图像信息和第二图像信息中反光标识条的位置信息，并分别确定上述反光标识条在上述世界坐标系中的第一坐标信息和第二坐标信息；

根据上述第一坐标信息和上述第二坐标信息，并结合光学三角测量原理确定上述待测试浮标的姿态参数。

结合本发明实施例的另一方面，在上述第一图像采集器和所述第二图像采集器分别同步拍摄采集所述待测量浮标的第一图像信息和第二图像信息之前还包括：

启动第一图像采集器和第二图像采集器拍摄采集不包含待测量浮标的多张图像信息；

对所述多张图像信息采用统计平均法以确定上述待测量浮标的背景图像信息。

在本发明实施例所提供的浮标姿态测量装置及方法中，不需要在浮标内部安装价格昂贵的姿态传感器及辅助电路，也不需要改变浮标的原有结构设计，对浮标的原有的重心分布没有影响；进一步地，本测量装置及方法操作方便、成本低廉但所确定的测量数据结果具有较高的精确性，可预见在浮标研制及浮标动态性能检测领域具有广阔的应用前景。

本发明还有更多的有益效果将在下文具体实施方式中进行阐述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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示出的是本发明一实施例所提供的浮标姿态测量装置的结构示意图；

图2示出的是本发明一实施例所提供的浮标姿态测量方法的流程示意图；

图3示出的是本发明浮标姿态测量装置及方法一应用具体实施例的实现效果图；

图4示出的是本发明所涉及的浮标姿态参数的定义的示意图；

图5示出的是本发明所涉及的浮标姿态参数测量的原理示意图。

具体实施例

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1示出的是本发明一实施例所提供的浮标姿态测量装置的结构示意图，浮标姿态测量装置10包括：

配置在待测量浮标A外表面的浮标标识物101；

对浮标标识物101进行图像采集的第一图像采集器102和第二图像采集器103；

数据处理模块104，用于识别并确定第一图像采集器102和第二图像采集器103所同步采集的第一图像信息和第二图像信息中浮标标识物101的位置差异信息，和根据上述位置差异参数确定上述待测量浮标A的浮标姿态参数。

通过本发明实施例所提供的浮标姿态测量装置，不需要在浮标内部安装价格昂贵的姿态传感器及辅助电路，也不需要改变浮标的原有结构设计，对浮标的原有的重心分布没有影响，能够在低成本的消耗的前题下实现高精度的浮标姿态测量结果。

浮标标识物101包括反光标识条1011和棋格形标定板1012，则数据处理模块104用于根据第一图像信息和第二图像信息中棋格形标定板1012的位置确定第一图像采集器和第二图像采集器的相对位置信息，和根据所确定的第一图像采集器102和第二图像采集器103的相对位置信息建立世界坐标系；以及数据处理模块104用于根据上述第一图像信息和第二图像信息中上述反光标识条1011的位置信息并结合上述世界坐标系，确定待测量浮标A的浮标姿态参数。由此利用空间几何知识实现了对浮标姿态的确定。

数据处理模块104为计算机，上述浮标姿态测量装置10还包括：与第一图像采集器102、第二图像采集器103和数据处理模块104分别连接的分别连接的通信模块105，通信模块105用于将第一图像采集器102和第二图像采集器103所采集的图像信息发送至上述计算机。本实施例将数据处理模块集成在应用广泛的计算机中，降低了浮标姿态测量装置的制造成本，同时也提高了浮标姿态测量装置用户的用户体验。

浮标姿态测量装置10还包括：与通信模块105连接的同步采集控制模块106，用于控制将第一图像采集器102和第二图像采集器103所同步采集的第一图像信息和第二图像信息发送至上述计算机。由此，保障了计算机接收自第一图像采集器和第二图像采集器的图片是同步采集的，无需计算机做进一步的筛选处理；降低了计算机的处理要求，更能满足浮标姿态测量装置的实时性的需求。

浮标姿态测量装置10还包括：与数据处理模块104相连接的显示装置107，显示装置107用于显示上述浮标姿态参数。由此可提高浮标姿态测量装置的用户体验。

上述第一图像采集器102和第二图像采集器103为水平或竖直排列的工业相机，和第一图像采集器102和上述第二图像采集器103之间相距一定距离。应当说明的是，上述一定距离可以是根据测量的需求预定的。

上述浮标姿态参数为浮标的俯仰角和偏航角。由此，根据浮标实时的俯仰角和偏航角可以确定浮标实时的姿态参数。

更具体，本发明所提供的浮标姿态测量装置主要包括：

前端图像数据采集模块，数据处理及显示模块以及标准标志物等。其中前端数据采集模块包括两个平行放置的工业相机，两者间相距500mm-1000mm,用于捕获不同角度的同一时刻的浮标运动图像；同步信号触发源，用于为上述两个工业相机提供同步触发信号；防水密封壳用于放置两平行相机，防止大气水雾对相机的腐蚀；光源，用于在光线较暗情况下补充光照，获取高质量图像；图像采集卡，将工业相机所获取的信号转换为计算机所能认知的信号。数据处理及显示模块主要用于处理前端数据采集模块所得到图像信息，计算浮标运动姿态角并显示出来。该模块主要包括计算机及利用OpenCV等工具所编制的图像处理软件。标准标志物主要包括棋格形标定板及轻质高反光标准条，其中棋格形标定板用于标定前端数据采集模块，获取左右两个工业相机间的相对位置关系，并确定世界坐标系位置；轻质高反光标准条在不改变浮标重心分布的情况下安装在浮标体上，通过确定该标准条的三维空间直线方程来计算浮标的运动姿态。

参见图2示出的是本发明一实施例所提供的浮标姿态测量方法的流程示意图，使用了上述实施例所提供的浮标姿态测量装置，具体本方法包括：

S201：第一图像采集器和第二图像采集器分别同步拍摄采集上述待测量浮标的第一图像信息和第二图像信息；

S202：上述数据处理模块运用图像处理技术获取上述第一图像信息和第二图像信息中棋格形标定板的相对位置信息，并建立参照坐标系；

S203：上述数据处理模块获取上述第一图像信息和第二图像信息中反光标识条的位置信息，并分别确定上述反光标识条在上述世界坐标系中的第一坐标信息和第二坐标信息；

S204：根据上述第一坐标信息和上述第二坐标信息，并结合光学三角测量原理确定上述待测试浮标的姿态参数。

作为进一步的优化，在步骤S201之前还包括：

启动第一图像采集器102和第二图像采集器103拍摄采集不包含待测量浮标的多张图像信息；

对所述多张图像信息采用统计平均法以确定上述待测量浮标的背景图像信息。

本实施例方法操作方便、成本低廉但所确定的测量数据结果具有较高的精确性，可预见在浮标研制及浮标动态性能检测领域具有广阔的应用前景。

更具体地，本发明所提供的浮标姿态测量方法主要包括：

将浮标测量装置对准浮标工作区域，利用棋格形标定板标定前端图像采集模块并确定世界坐标系。将标准条安放在浮标体上，启动视频测量装置采集浮标在模拟不同海浪状况下的运动序列图像。

分别提取左右图像对中的标准条平面方程。首先以背景差分方式去除大部分的背景干扰，在首帧图像中以人工交互的方式确定浮标运动的感兴趣区域ROI,然后以较高的阈值分割图像，之后采用Radon变换的方式提取高反光标准条特征，获得其平面方程信息。

在得到高反光标准条的左相面方程后，由摄像机小孔成像模型成像原理便可以得到过左相机光心且过直线的平面方程。同理可以得到过右相机光心且过直线的平面方程。由两平面相交的方式可以计算得到高反光标准条的空间方程，由空间几何知识可知算的其空间轴线方向向量，进而可以计算得到浮标运动过程中的俯仰角及偏航角。

为了使本发明精神更加易于理解，现进一步对本实施例方法中所涉及到的数学换算过程结合本实施例方法进行具体的阐述：

对浮标测量系统进行标定：

确定由水平布设的第一图像采集器和第二图像采集器所建立的世界坐标系，并为图像采集器准备好图像采集频率。具体包括：以第一图像采集器的坐标系为世界坐标系OX_WY_WZ_W，既所述世界坐标系Z_W轴沿左相机摄像机光轴指向目标方向，X_W沿相面水平方向右，Y_W轴与X_W、Z_W满足右手法则。第一图像采集器和第二图像采集器的内外参数采用黑白棋格式的平面模板进行标定，平面标定板是一个有若干黑白交错的棋盘格，其中标定板单个棋盘格的长度为30mm，利用搭建好的浮标姿态测量装置拍摄若干不同情况下的标定板图像，所采集的用于标定的模板图像的数量应尽量大于15张；应当说明的是，在确定了相应的世界坐标系和第一图像采集器和第二图像采集器的内外参数之后，再次使用装置进行测量时则不需要使用重新进行上述操作。

设置采样分辨率：

同步采集浮标运动图像，其中同步信号源选择Hantek公司生产的DDS-3305型号的任意波形型号发生器，将左右相机设置为同步外触发，以设定频率捕获浮标运动图像。

采用基于图像处理的技术分别提取第一图像采集器和第二图像采集器的高反光标识条特征，并分别计算两各图像采集器的高反光标识条特征的平面方程：

在拍摄浮标运动图像之前，启动第一图像采集器和第二图像采集器拍摄若干张不包含浮标的图像，采用统计平均法合成背景图像。之后将所拍摄的浮标运动图像减去背景图像，将背景中的大部分干扰信息去除。

以Radon变换方式提取第一图像采集器和第二图像采集器所拍摄的标识条在图像采集器的成像平面的方程；首先以较大的阈值将上述背景差分图像分割为二值图像，其中阈值的大小需要根据实际试验环境来确定；然后对二值图像进行Radon变换，在变换域图像内寻找亮度峰值点R_max(ρ,θ)，假设求得亮斑的中心位置(ρ,θ)。根据Radon变换原理可以求得高反光标识条的直线方程为ρ＝u_lcosθ+v_lsinθ，其中(u_l,v_l)为第一图像采集器的成像平面的坐标形式。

根据光学三角测量原理及空间几何相关知识计算浮标姿态参数：

分别计算过左右相机光心O_l、O_r及左右相面标识条l_l、l_r的空间平面方程S_l、S_r；假设左相机图像平面上高反光标识条的方程可写为如下形式：

根据摄像机的针孔成像模型式有：

将上式两端同乘以向量[k₁ k₂ k₃]有：

整理得：A_lX_w+B_lY_w+C_lZ_w+D_l＝0，上式即为过左相机光心O且过直线l_l的平面S_l。同理，可以求出过右相机光心及对应直线l_r的平面S_r。

由空间平面相交原理计算标识条三维空间方程，根据空间几何知识计算浮标运动姿态；S_l、S_r两平面相交即可得到高反光标识条的空间方程L：

则由空间几何相关知识可得浮标运动时的俯仰角θ、偏航角Ψ为：

参见图3示出的是本发明浮标姿态测量装置及方法一应用具体实施例的实现效果图，包括：

位于密封壳内的水平安装的两台工业相机，包含左相机和右相机安装在相机支架上，对准浮标工作区域，两相机之间相隔一定距离，该距离就是所谓的基线距离。基线距离要根据被测浮标的实际情况进行调整，其距离的大小对姿态测量精度有一定影响，在本实施例中，左相机301和右相机302两者间相距500mm-1000mm。

本发明浮标姿态测量装置及方法的工作过程主要包括三大部分：浮标测量工作准备、高反光标识条特征的提取和浮标运动姿态角的计算：

一、浮标测量工作准备：

浮标测量工作准备主要包括图像采集测量系统的标定、高反光标识条的安放以及浮标运动图像的获取。图像采集测量系统的标定是为了统一参考对象，为后续浮标姿态参数的测量打下基础，本实施例中浮标姿态参数包含有浮标的俯仰角和偏航角，具体地图像采集测量系统的标定：

参见图4示出的是浮标的浮标姿态参数的定义的示意图，世界坐标系定义为OX_wY_wZ_w，浮标在运动过程中的运动姿态包括俯仰角、偏航角以及滚转角分别定义如下：俯仰角θ为所安放高反光标识条与水平面既与世界坐标系OX_wY_w面间的夹角。偏航角Ψ为高反光标识条在OX_wY_w面上的投影与OY_w轴间的夹角。

假设空间点P(X_w,Y_w,Z_w)在相机图像平面上的坐标为p(u,v)，则根据摄像机成像的线性模型，在不考虑畸变的情况下有以下关系：

上式中Z_C表示空间点P到相机成像平面的距离；f表示相机的焦距；dx与dy为CCD水平和竖直方向单个像素的物理长度；(u₀,v₀)表示图像的中心。(f/dx，f/dy,u₀,v₀)是由相机的内部结构及固有性质决定的，为相机的内部参数。R、T表示相机坐标系相对于世界坐标系的旋转及平移关系，为相机的外部参数。相机的内外部参数在本文第一步中可由视频测量系统标定得到。

在图像采集测量系统标定时，利用左右相机拍摄不同位姿的棋格标定板图像，用于确定两工业相机的内外参数并确定世界坐标系，世界坐标系的XOY平面可以取水平面，Z轴垂直于XOY平面并竖直向上，三坐标轴间满足右手法则。

由于各类浮标外形各异，没有共同的外形特征来描述其运动姿态，故而可以在不改变浮标重心分布的情况下在其外壳顶部安放高反光标识条，该标识条以胶合的方式与浮标体固定。其中高反光标识条由高强度的轻质铝管外涂高反光材料制作而成，其长度根据不同的浮标体可做适当的调整。

在完成视频测量系统的标定及高反光标识条的安放工作后，开启左右相机拍摄浮标位于不同海况状态下的运动图像。

二、高反光标识条位置信息的提取

由于各类浮标外形各异，所以通过在浮标体外部安装标识物的方式来测量浮标的运动姿态。在本发明中，所安装的标识物为涂有高反光材料的轻质长条，只要能够自动识别出左右图像对中的高反光标识条即可由视觉测量相关知识计算其运动姿态角。现以左图像像面为例说明如何提取该高反光标识条的位置信息，具体包括：

使用空域中值滤波平滑图像，去除高频噪声的干扰；之后采用背景差分法去除背景噪声，其中背景图像的构建可以在采集浮标运动之前依据统计平均法构建；之后采用阈值分割法分割差分图像，所使用的阈值需要根据特定的试验环境及光照条件决定，以保证所分割后的图像既能保留高反光标识条特征又能去除大部分的低亮度干扰，之后采用Canny边缘检测算子检测二值图像边缘。

Radon变换具有明显的几何特征，具有良好的抗噪能力和易于实现的特点，适合用于对直线目标的检测。在本发明中对Canny边缘检测后的图像作Radon变换，变换后将原来的二值图像沿指定角度积分投影，将相平面上直线检测问题转化为Oρθ平面上亮度峰值点的检测问题。经Radon变换后，变换域图像呈现为一亮斑，首先对Radon变换图像均值滤波，然后在变换域内搜索亮度峰值R_max(ρ,θ)，求得亮斑的中心位置(ρ,θ)。根据Radon变换原理可以求得高反光标识条的直线方程为ρ＝u_lcosθ+v_lsinθ，其中(u_l,v_l)为左相机相面的坐标形式。可将该直线方程整理成如下形式：

三、浮标运动姿态角计算

参见图5示出的是本发明所涉及的浮标姿态参数测量的原理示意图，假设在第二部分中已经分别提取得到左右图像对中高反光标识条l_l、l_r，左右图像对中的高反光标识条与各自相机的光心可以分别确定一个空间平面S_l、S_r。由空间几何知识可知，这两个平面相交于空间中的一条直线，这条直线即为高反光标识条的空间方程。假设第一图像采集器的成像平面上高反光标识条的方程可写为如下形式：

根据摄像机的针孔成像模型式(1)有：

将上式两端同乘以向量[k₁ k₂ k₃]有：

整理得：

上式即为过左相机光心O且过直线l_l的平面S_l。同理，可以求出过右相机光心及对应直线l_r的平面S_r。

S_l、S_r两平面相交即可得到高反光标识条的空间方程L：

由空间几何知识可知该空间直线的方向向量为：

(l m n)＝(A_l B_l C_l)×(A_r B_r C_r)

则浮标运动时的俯仰角θ、偏航角Ψ为：

由上式可知，计算出的俯仰角及偏航角范围为：以及

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的各实施例及优选实施例中所涉及到的技术特征彼此之间可以相互组合；术语“包括”、“包含”，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……”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。

本发明实施例中可以通过硬件处理器来实现相关功能模块和单元。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述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计算机可读存储介质中，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)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。