一种水下图像采集的方法和系统与流程
本发明涉及水下图像采集技术领域，特别是涉及一种水下图像采集的方法和系统。
背景技术：
随着人类对水下探测技术的不断完善，水下图像采集显得尤为重要，它能够清晰完整的对水下地形进行勘探，并呈现出三维图像，对水下技术的发展起到至关重要的作用。
在进行水下图像采集过程中，由于水介质的强散射效应和快速功率衰减以及本身的波动特性，造成光源在水中会衰减和散射，造成图像采集会出现噪声大、成像背景不单一、对比度低，色彩发生偏移、图像畸形等问题。而且水越深，成像越难。现有技术中使用红外成像技术，需要自身发出红外光，接收物体反射回来的红外光后成像，红外光在水底的穿透性较差，具有较大的局限性，而且比较容易引其水底生物的注意和攻击，另外现有仪器体型大，操作复杂，局限性强
技术实现要素：
针对上述现有技术不能满足产品新要求的矛盾，本专利申请所要解决的技术问题是如何提供一种图像清晰、噪音低、结构稳定的水下图像采集的方法和系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种水下图像采集的方法，包括以下步骤：
步骤1：对采集器设定航行路线；
步骤2：采集器上的声呐模块和可见光/光谱模块分别对水下进行图像采集并分别形成声呐图像和可见光/光谱图像；
步骤3：对可见光/光谱图像进行加权融合处理，再结合声呐图像进行加权融合处理并将得到的图像进行数模转换形成模拟融合图像；
步骤4：主控mcu模块接收图像信息并进行存储。
进一步的，步骤2中，可见光/光谱模块在对水下进行图像采集时，cmos在有光源的时候采集图像信息，在无光黑暗的情况下mems采集物体反射和自身射出的电磁波信号，进行图像信息获取。
进一步的，步骤2中，声纳模块包括发射器和接收器，所述发射器垂直与航行方向，向四周各发射一个扇形脉冲，所述声波以球面的形式向外传播，碰到水底或者水中物体后产生散射，其中反射波以及后向散射波会按照原传播路线传播并被所述接收器接收。
进一步的，步骤2中，在声呐模块采集图像时，需要对其进行斜距矫正和航迹补偿；所述斜距矫正运用下述公式进行计算：
yg＝ys
其中，width为声呐图像的宽度，(xs，ys)为原始图像上某点，(xg,yg)为斜距矫正后的平距图像的点；
将点(xs，ys)的灰度值赋值给斜距矫正后的点(xg,yg)。
进一步的，在进行航迹补偿时，包括以下步骤：
a1：提取设定航线的wgs84大地坐标系坐标；
a2：通过公式：
x＝(n+h)*cosβcosl
y＝(n+h)*cosβsinl
转化为北京54平面直角坐标系的点，其中：β是纬度值，l是经度值，h是高度值，n是卯酉圈曲率半径，其值为：
a3：将所有像素序列的坐标完成内插处理，完成补偿。
进一步的，在声呐模块生成的声呐图像为三维图像，主要包括以下步骤：
b1：对声呐图像进行阈值分割、噪声去噪、结合阴影信息提取目标物；
b2：生成二维高度图，并获取二维高度图中每一个像素点的高度值；
b3：建立坐标系生成目标图像的三维图。
进一步的，b2中获取高度值采用如下公式：
其中，h是声呐高度，rs是斜距，ls是阴影长度，rh是平距，ht是目标物的高度，lt是目标物的长度。
进一步的，步骤3中对可见光/光谱图像进行加权融合处理前，先对可见光/光谱图像进行白平衡/均衡化等处理。
一种水下图像采集的系统，包括声呐模块、光谱模块、图像处理模块、主控mcu模块、储存模块、姿态路线模块和动力系统模块；
所述声呐模块是用于发射声呐声波，然后经过物体反射或反向散射回来被接收器接收，经过换能器处理形成电脉冲串，在经过处理形成声波图像信息；
所述光谱模块是在有光时，cmos收集物体的可见光信息形成物体的rgb图像；在无光时，mems开始工作，收集物体的电磁波信息，形成物体的光谱图像；
所述图像处理模块用于处理声呐模块和光谱模块得到的图像信息，先对可见光/光谱信息进行白平衡和均衡化处理，进行加权融合，再与声呐图像进行加权融合，形成最终的数字信号物体图像；
所述主控mcu模块是控制整个电控系统的运行，进行数据处理和数模转换；
所述储存模块是用于储存物体的模拟信号图像和设定的线路信息；
所述姿态路线模块是用于用户提前设定好路线，然后此系统是否按照此路线工作，如遇到不可逆的因素，记录整个系统的运行路线，反馈给到mcu模块，存储模块储存此信息；
所述动力系统模块包括沉降系统和泵推进式系统，是根据姿态路线模块的信息以及mcu的指令，控制整个探测系统在水下的运行。
综上，本发明具有以下优点：
(1)声呐探测物体图像，利用坐标系的转换形成三维立体图；
(2)利用mems去探测目标物的电磁波形成目标物的图像，无需外挂光源，而且成像图也不会像一般的水下图像呈蓝绿色，自身不发光，不会影响水下的正常生态，也不会引起水下生物的围观/攻击，图像采集的障碍变少；
(3)整个系统采集的图像经过算法融合后，更加清晰，立体，色彩度也更好。
附图说明
图1为一种水下图像采集的方法的流程图。
图2为一种水下图像采集的方法中目标物高度计算的示意图。
图3为声呐三维坐标生成的示意图。
图4为声呐三维坐标生成的流程图。
图5为声呐图像与可见光/光谱模块图像融合过程的示意图。
图6为一种水下图像采集系统的框架图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“上、下”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
实施例1
如图1-5所示，一种水下图像采集的方法和系统，一种水下图像采集的方法，包括以下步骤：
步骤1：对采集器设定航行路线；
步骤2：采集器上的声呐模块和可见光/光谱模块分别对水下进行图像采集并分别形成声呐图像和可见光/光谱图像；
步骤3：对可见光/光谱图像进行加权融合处理，再结合声呐图像进行加权融合处理并将得到的图像进行数模转换形成模拟融合图像；
步骤4：主控mcu模块接收图像信息并进行存储。
进一步的，步骤2中，可见光/光谱模块在对水下进行图像采集时，cmos在有光源的时候采集图像信息，在无光黑暗的情况下mems采集物体反射和自身射出的电磁波信号，进行图像信息获取。
具体的：在有光的情况下，cmos工作，采集水底物体反射/自身发射出的可见光信息，coms把rgb图像信息转换成电信号，感光区的像素阵列感应到光信息，就开始进行刷新,开始曝光，行/列扫描寄存器激活像素的选址晶体管，读出信号并进行放大，talwiring读出像素阵列的电信号并传递给adc(模拟信号处理)，进行去噪，最后进行模数转换，把模拟信号转换成数字信号传输给图像处理器。
在无光黑暗情况下，mems开始工作，收集物体自身散发和反射的电磁波，cmos把电磁波信息转换成电信号,感光区的像素阵列感应到光谱信息，就开始进行刷新,开始曝光，行/列扫描寄存器激活像素的选址晶体管，读出信号并进行放大，talwiring读出像素阵列的电信号并传递给adc(模拟信号处理)，进行去噪(如用cds去除resetnoise,fpn等)，最后进行模数转换，把模拟信号转换成数字信号传输给图像处理器。
具体的，进行降噪处理时，采用cds去除resetnoise,fpn等方式进行。
进一步的，步骤2中，声纳模块包括发射器和接收器，所述发射器垂直与航行方向，向四周各发射一个扇形脉冲，所述声波以球面的形式向外传播，碰到水底或者水中物体后产生散射，其中反射波以及后向散射波会按照原传播路线传播并被所述接收器接收，经过换能器转换成一系列幅度大小不等的电脉冲串，回波强度值随水底地貌，地质特性，以及传播路径的远近不同而变化，每次发射/接收后就可以获得一条反映水底信息的像素序列，经过多次发射/接收后，得到物体的像素序列信息也更多，逐渐形成物体的图像。
进一步的，步骤2中，在声呐模块采集图像时，需要对其进行斜距矫正和航迹补偿；所述斜距矫正运用下述公式进行计算：
yg＝ys
其中，width为声呐图像的宽度，(xs，ys)为原始图像上某点，(xg,yg)为斜距矫正后的平距图像的点；
将点(xs，ys)的灰度值赋值给斜距矫正后的点(xg,yg)。
进一步的，在进行航迹补偿时，包括以下步骤：
a1：提取设定航线的wgs84大地坐标系坐标；
a2：通过公式：
x＝(n+h)*cosβcosl
y＝(n+h)*cosβsinl
转化为北京54平面直角坐标系的点，其中：β是纬度值，l是经度值，h是高度值，n是卯酉圈曲率半径，其值为：
a3：将所有像素序列的坐标完成内插处理，完成补偿。
进一步的，在声呐模块生成的声呐图像为三维图像，主要包括以下步骤：
b1：对声呐图像进行阈值分割、噪声去噪、结合阴影信息提取目标物；
b2：生成二维高度图，并获取二维高度图中每一个像素点的高度值；
b3：建立坐标系生成目标图像的三维图。
进一步的，b2中获取高度值采用如下公式：
其中，h是声呐高度，rs是斜距，ls是阴影长度，rh是平距，ht是目标物的高度，lt是目标物的长度。
建立坐标系时；
世界坐标系ow-xwywzw也叫大地坐标系，声呐坐标系os-xsyszs,以声呐模块的中心为原点os,osys是声呐行进的方向，osxs轴与osys轴垂直，并指向声呐右边方向，oszs轴垂直指向水底，理想成像坐标系oi-xiyizi，该坐标系是理论计算出的成像坐标系，其x轴和y轴分别和osxs和osys平行，此坐标系下图像点的坐标单位是物理单位，实际成像坐标系o-uv,此坐标系的原点是实际声呐图像的左下角像素点，u轴和v轴分别与图像的横轴和纵轴平行，此坐标系下的图像点的坐标单位是像素。
坐标系转换的方法，坐标系转换关系如下步骤：
第一步：三维世界坐标系向三维声呐坐标系的刚体转换；世界坐标系是对声呐所处的实际环境描述，两个坐标系之间的转换关系可以用一个正交旋转阵r和平移向量t来表示，如下公式：
其中，r是一个3×3的旋转矩阵，t是一个3×1的平移矩阵。
第二步：三维声呐坐标系向理想成像坐标系的转换；
原始声呐图像的横坐标应为
第三步：实际成像坐标系每一个像素在u轴和v轴方向上的物理尺寸为dx和dy，实际成像坐标系的原点(0，0)对应理想成像坐标系的点(u0，v0)，则两个坐标之间的关系用其次方程式表示如下：
假设世界坐标系与声呐坐标系一致，坐标原点重合，即:
则最终世界坐标系与实际成像坐标系之间的转换关系可以表示成：
其中d是高度图中的高度信息，h是声呐高度，这样就根据二维高度图中的坐标(u,v)与其高度值，生成其对应的三维坐标。
进一步的，步骤3中对可见光/光谱图像进行加权融合处理前，先对可见光/光谱图像进行白平衡/均衡化等处理。
实施例2：
结合图6所述：一种水下图像采集的系统，包括声呐模块、光谱模块、图像处理模块、主控mcu模块、储存模块、姿态路线模块和动力系统模块；
所述声呐模块是用于发射声呐声波，然后经过物体反射或反向散射回来被接收器接收，经过换能器处理形成电脉冲串，在经过处理形成声波图像信息；
所述光谱模块是在有光时，cmos收集物体的可见光信息形成物体的rgb图像；在无光时，mems开始工作，收集物体的电磁波信息，形成物体的光谱图像；
所述图像处理模块用于处理声呐模块和光谱模块得到的图像信息，先对可见光/光谱信息进行白平衡和均衡化处理，进行加权融合，再与声呐图像进行加权融合，形成最终的数字信号物体图像；
所述主控mcu模块是控制整个电控系统的运行，进行数据处理和数模转换；
所述储存模块是用于储存物体的模拟信号图像和设定的线路信息；
所述姿态路线模块是用于用户提前设定好路线，然后此系统是否按照此路线工作，如遇到不可逆的因素，记录整个系统的运行路线，反馈给到mcu模块，存储模块储存此信息；
所述动力系统模块包括沉降系统和泵推进式系统，是根据姿态路线模块的信息以及mcu的指令，控制整个探测系统在水下的运行。
所述沉降系统是受控于动力系统模块，整个系统进入水中时，打开水仓的密封盖，开始进水，整个系统开始下沉，当下沉到预定位置时，动力控制系统对氮气仓加压，用氮气挤压水，开始排水，直至整个系统处于一个平衡状态时，停止加压，关闭水仓密封盖，当整个系统完成工作后，需要上升时，动力控制系统对氮气仓加压，把所有水都排出仓外再关闭密封盖，整个系统上升，直到冒出水面。
所述泵推进式系统是受控于动力控制系统，控制了整个系统的转弯后前进或者后退，当系统需要前进时，泵推进式系统中的双螺旋桨正转，利用螺旋桨转动排出水的推力推进整个系统；当整个系统需要后退时，双螺旋桨反转，利用水的推力进行反推动，使整个系统后退。
最后应说明的是：本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等统计数的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
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