基于载人潜水器的水下激光扫描重构系统及其方法与流程

本发明涉及一种基于载人潜水器的水下激光扫描重构系统及其方法，应用于载人潜水器等水下运载设备的检测与探测领域。

背景技术：

21世纪是海洋的世纪，面对人口膨胀，陆地资源短缺，生态环境恶化以及气候变化等一系列关系人类生存与发展的问题，海洋的重要性越发明显。加强海洋与全球变化、海洋环境与生态的研究，做好海洋保护，并推动海洋能源、资源的可持续开发与利用是人类拓展生存空间，维系生存与发展的必然选择。

载人潜水器作为深海探测的重要科考工具，对我国的海洋战略具有十分重要的意义，为我国的深海探测提供可靠的保证与坚实的技术支持。目前在深海探测过程中，载人潜水器的近距离探测能力较差，目前多使用侧扫声呐来进行海底探测与重构，但由于侧扫声呐具有盲区，无法近距离进行探测，且精度等级不够，只能绘制海底地形的大致样貌，造成许多细节上的缺失。

现有比较成熟的激光扫描系统是基于激光测距原理进行3d重构，虽然在在陆地上具有较高的精度等级，但由于以下原因：(1)水下环境复杂，对于激光光源、摄像机等参数设定增加了很大的困难；(2)激光在水中会有散射、折射现象的发生，使其准确性大大降低，甚至无法工作；(3)基于激光测距原理进行3d重构而设计的装置一般造价较高，对光源、摄像机等都有较高的要求，成本更高；现有的激光扫描重构装置并不能够对水下探测与重构产生积极的效果和影响。

故而，亟待提出一种新的重构系统及方法，以解决现有技术中存在的上述缺陷。

技术实现要素：

本发明提出一种基于载人潜水器的水下激光扫描重构系统及其方法，采用激光线光源与图像处理技术相结合，对于海底微地形地貌的探测，并对所探测的重点区域进行三维重构，在军事与科学研究等领域具有较高的推广价值。

本发明是采用以下的技术方案实现的：基于载人潜水器的水下激光扫描重构系统，其特征在于，包括蓝色激光器、ccd摄像机、控制单元、图像处理单元、载人潜水器姿态信息获取单元以及数据融合单元；

所述蓝色激光器和ccd摄像机均与控制单元相连，由控制单元控制蓝色激光器投射蓝色激光线至海底地形，并控制ccd摄像机拍摄包含物体表面轮廓信息的线结构光的图像进行存储；

所述图像处理单元的输入端与控制单元相连，其输出端与数据融合单元相连，图像处理单元用于对拍摄的图像进行处理，获得其线结构光的点云数据并输出至数据融合单元；

所述数据融合单元将图像处理单元发送的像素点坐标信息和载人潜水器姿态信息获取单元获得的载人潜水器姿态信息进行数据融合，以纠正其航行过程中由于水流等因素造成的航行过程中出现的偏移、倾斜等情况，使其完全适配于载人潜水器，进而能够实现准确的三维重构。

进一步的，所述图像处理单元包括滤波模块、灰度化模块、像素点提取模块以及标定模块；

滤波模块用以对图像进行高斯滤波处理去噪；

灰度化模块用以对滤波去噪后的图像进行灰度化处理，提取其灰度图；

像素点提取模块用以对灰度图进行中心线提取，采用steger中心线提取算法对灰度图处理，从而得到每一幅图像中轮廓的像素点坐标；

标定模块用以将所有图像的二维像素点坐标通过圆点标定板标定转换为真实的三维像素坐标，进而得到完整的三维点云信息。

进一步的，由于对每一幅图像提取的坐标仅仅是像素点坐标，并不是真实世界坐标系，所以还存在将二维像素坐标转换为三维像素坐标，具体通过标定模块在进行标定时：

将所述圆点标定板完全贴合蓝色激光器垂直照射的平面，标定板采用12*13的圆点标定板，并采用ccd摄像机对其进行拍摄，对圆点标定板的中心进行像素点的提取；

根据该圆点标定板的各个圆点的已知真实参数，通过非线性插值对拍摄的物体表面轮廓像素点进行处理，进而将物体表面轮廓像素点坐标转换为三维坐标信息。

进一步的，所述数据融合单元包括标定模板库、偏移角比对模块以及纠正模块；

标定模板库，用以存储原点标定板旋转-30°～30°的标定模板库，并记录ccd摄像机拍摄图像的时刻t，t＝0,1,2,3,……，获得一系列时刻集合；

偏移角比对模块，从拍摄的0时刻开始进行初始化，根据载人潜水器姿态信息获取单元获得该时刻的偏移角度信息，然后对接下来的时刻进行姿态读取得到其对应时刻的偏移角度，并与初始化的角度进行对比；

纠正模块，通过偏移角比对模块判断有差异时，则调用标定模板库，通过图像处理及标定实现二维像素点到三维坐标的转换，得到纠正的点云数据。

本发明另外还提出一种基于上述所述载人潜水器的水下激光扫描重构系统的方法，包括以下步骤：

步骤a、通过蓝色激光器垂直于向下发射线结构光作用在海底物体表面，某条线结构光照射在物体表面后，会显示物体的轮廓形状，ccd摄像机拍摄包含物体表面轮廓信息的线结构光的图像，ccd摄像机拍摄的每张图像代表着被拍摄物体在某一垂直剖面的表面轮廓信息；

步骤b、基于ccd摄像机拍摄的图像信息，利用图像处理技术对图像中线结构光源轮廓像素点进行提取，通过分析所有图像获得线结构光的点云数据；

步骤c、将步骤b获得的点云数据与载人潜水器姿态传感器检测的姿态信息进行多传感器数据融合，以对点云数据进行纠正；

步骤d、利用meshlab软件完成所探测海底的三维重构，进而实现准确的三维重构。

进一步的，所述步骤b具体包括以下步骤：

步骤b1、对图像进行高斯滤波处理消除掉水下环境中的各种噪声图像；

步骤b2、对滤波去噪后的图像进行灰度化处理，提取其灰度图，并对灰度图进行中心线提取；

步骤b3、采用steger中心线提取算法对灰度图进行处理，从而得到每一幅图像中轮廓的二维像素点坐标；

步骤b4、将所有图像的二维像素点坐标通过圆点标定板标定转换为真实的三维像素坐标，进而得到完整的三维点云信息。

进一步的，所述步骤b4具体通过以下方式实现：

(1)将所述圆点标定板完全贴合蓝色激光器垂直照射的平面，标定板采用12*13的圆点标定板，并采用ccd摄像机对其进行拍摄，对圆点标定板的中心进行像素点的提取；

(2)根据该圆点标定板的各个圆点的已知真实参数，通过非线性插值对拍摄的物体表面轮廓像素点进行处理，进而将物体表面轮廓像素点坐标转换为三维坐标信息。采用该方式进行点云数据的获取，一方面能够忽略掉摄像机内外参数等因素的影响，另一方面能够避免激光在水中折射、散射影响点云提取精度的问题。

进一步的，所述步骤c包括以下步骤：

(1)建立原点标定板旋转-30°～30°的标定模板库，并记录ccd摄像机拍摄图像的时刻t，t＝0,1,2,3,……，获得一系列时刻集合；

(2)从拍摄的0时刻开始进行初始化，根据载人潜水器姿态信息获取单元获得该时刻的偏移角度信息，然后对接下来的时刻进行姿态读取得到其对应时刻的偏移角度，并与初始化的角度进行对比；

(3)通过偏移角比对模块判断有差异时，则调用标定模板库，通过图像处理及标定实现二维像素点到三维坐标的转换，得到纠正的点云数据。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

本发明方案以激光为出发点，采用激光线光源搭配图像处理技术，能够忽略激光器、摄像机等参数整定的问题，同时能够极大的减小激光在水中的散射、折射现象对探测的影响，造价相对低廉且精度等级高，同时与载人潜水器的姿态传感器进行数据融合，并最终完成2d像素坐标到3d真实坐标的转换，实现对海底微地形地貌的精准探测，可广泛应用于军事与科学研究领域。

附图说明

图1为本发明实施例所述重构系统原理框图；

图2为本发明实施例所述重构方法的原理示意图；

图3为本发明实施例中通过多传感器数据融合以对点云数据进行纠正的原理示意图；

图4为本发明实施例中在进行非线性插值时真实标定板中某个点的位置示意图；

图5为本发明实施例中在进行非线性插值时像素坐标点的示意图。

具体实施方式

为了能够更加清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1，本实施例提出一种基于载人潜水器的水下激光扫描重构系统，具体依据以下原理实现：线结构光照射在物体表面能够精确的反应出物体表面的细节信息，摄像机拍摄一幅带有线结构光的图像，该图像能够代表某处二维平面内物体的表面信息，当有一系列的图像就可以将其拟合从而得到完整的图像3d结构。

如图1所示，该水下激光扫描重构系统包括蓝色激光器、ccd摄像机、控制单元、图像处理单元、载人潜水器姿态信息获取单元以及数据融合单元；

所述蓝色激光器和ccd摄像机均与控制单元相连，由控制单元控制蓝色激光器投射蓝色激光线至海底地形，并控制ccd摄像机拍摄包含物体表面轮廓信息的线结构光的图像进行存储；

所述图像处理单元的输入端与控制单元相连，其输出端与数据融合单元相连，图像处理单元用于对拍摄的图像进行处理，获得其线结构光的点云数据并输出至数据融合单元；

所述数据融合单元将图像处理单元发送的像素点坐标信息和载人潜水器姿态信息获取单元获得的载人潜水器姿态信息进行数据融合，以纠正其航行过程中由于水流等因素造成的航行过程中出现的偏移、倾斜等情况，使其完全适配于载人潜水器，进而能够实现准确的三维重构。

本实施例中，所述控制单元采用stm32系列单片机，所述图像处理单元包括滤波模块、灰度化模块、像素点提取模块以及标定模块；滤波模块用以对图像进行高斯滤波处理去噪；灰度化模块用以对滤波去噪后的图像进行灰度化处理，提取其灰度图；像素点提取模块用以对灰度图进行中心线提取，采用steger中心线提取算法对灰度图处理，从而得到每一幅图像中轮廓的像素点坐标；标定模块用以将所有图像的二维像素点坐标通过圆点标定板标定转换为真实的三维像素坐标，进而得到完整的三维点云信息。

由于对每一幅图像提取的坐标仅仅是像素点坐标，并不是真实世界坐标系，所以还存在将二维像素坐标转换为三维像素坐标，针对整体系统标定问题，标定板采用13*12的圆点式标定板，根据非线性差值实现像素坐标到3d真实坐标间的转换。具体通过标定模块在进行标定时：首先将所述圆点标定板完全贴合蓝色激光器垂直照射的平面，标定板采用12*13的圆点标定板，并采用ccd摄像机对其进行拍摄，对圆点标定板的中心进行像素点的提取；然后根据该圆点标定板的各个圆点的已知真实参数，通过非线性插值对拍摄的物体表面轮廓像素点进行处理，进而将物体表面轮廓像素点坐标转换为三维坐标信息。

为纠正其航行过程中，由于水流等因素造成的航行过程中出现的偏移、倾斜等情况，使其完全适配于载人潜水器，所述数据融合单元包括标定模板库、偏移角比对模块以及纠正模块；标定模板库，用以原点标定板旋转-30°～30°的标定模板库，并记录ccd摄像机拍摄图像的时刻t，t＝0,1,2,3,……，获得一系列时刻集合；偏移角比对模块，从拍摄的0时刻开始进行初始化，根据载人潜水器姿态信息获取单元获得该时刻的偏移角度信息，然后对接下来的时刻进行姿态读取得到其对应时刻的偏移角度，并与初始化的角度进行对比；纠正模块，通过偏移角比对模块判断有差异时，则调用标定模板库，通过图像处理及标定实现二维像素点到三维坐标的转换，得到纠正的点云数据。

该系统通过摄像机对线结构光束进行拍摄，利用图像处理的相关算法对线结构光的像素点进行提取，同时与载人潜水器的姿态传感器进行数据融合，并最终完成2d像素坐标到3d真实坐标的转换，能够有效地避免摄像机内参外参标定等一系列问题。由载人潜水器机械手抓取并保持扫描姿势进行移动，将得到的点云数据与载人潜水器中的传感器数据进行融合，最终完成重构。

实施例2，基于实施例1提出的水下激光扫描重构系统，本实施例提出一种水下激光扫描重构方法，针对现有激光产品水下重构所存在的缺陷，从原理上进行改进，如图2所示，包括以下步骤：

步骤s1、通过蓝色线结构光源垂直于向下发射线结构光作用在物体表面，某条线结构光照射在物体表面后，会显示物体的轮廓形状，ccd摄像机拍摄包含物体表面轮廓信息的线结构光的图像，ccd摄像机拍摄的每张图像代表着被拍摄物体在某一垂直剖面的表面轮廓信息；

步骤s2、基于ccd摄像及拍摄的图像信息，利用图像处理技术对图像中线结构光源轮廓像素点进行提取：首先对图像进行高斯滤波处理消除掉水下环境中的各种噪声图像；而后进行灰度化处理提取其灰度图，并对灰度图进行中心线提取；采用steger中心线提取算法对灰度图进行处理，从而得到每一幅图像中轮廓的像素点坐标。

由于对每一幅图像提取的坐标仅仅是像素点坐标，并不是真实世界坐标系，所以还存在将2维像素坐标转换为3维像素坐标，采用一个12*13的圆点标定板对各个参数进行标定，标定时将该圆点标定板完全贴合蓝色线结构光源垂直照射的平面，并采用ccd摄像机对其进行拍摄，对圆点标定板的中心进行像素点的提取；同时，已知该标定板各个圆点的真实参数，而后基于一种非线性插值方法将上述图片提取的物体表面轮廓的像素点进行处理，所述非线性插值方法的原理如图4和图5所示，图4为真实标定板中某个点的位置示意图，其中t点为真实的点，其会落入abcd四个标定板阵列之中，图5为像素坐标点的图片，即图像中各个点的位置关系。假设，sn＝x，根据非线性差值的基本原理可以得到：

进而将物体表面的轮廓像素点坐标转换为真实的世界坐标信息，得到真实的坐标值，将所有的二维图片进行处理最终能够得到完整的3维点云数据信息。

由于传统的方法当中，对于摄像头的精度要求特别的高，摄像头内部的热噪声等情况会对拍摄的照片特征提取产生很大的影响，所以在应用中需要对摄像头的内外参数进行调整，而本实施例用纯物理的方法代替了细节上的调整，只需要保证拍摄角度，无论摄像机参数如何改变，都可以通过角度换算得到需要的信息采用上述方法进行点云数据的获取，一方面能够忽略掉摄像机内外参数等因素的影响；同时，克服了传统方法根据捕捉的反射激光强度、时间等来判断物体位置的缺陷，利用摄像机直接拍摄，从根本上避免了激光在水中折射、散射影响点云提取精度的问题。

由于在深海作业环境下，载人潜水器在抓取该系统进行移动扫描时，由于外部环境因素以及载人潜水器的自身因素，会导致在扫描过程中产生偏移、倾斜等姿态上的改变，上述问题是水下环境中一定会发生的且完全不可控，会严重影响最终实验的精度，是目前所有线结构重构技术没有解决过的问题，针对这一问题，本实施例中在步骤s2中完成2维像素坐标到3维真实坐标转换后，还包括：

步骤s3、将获得的点云数据与载人潜水器上的航迹传感器进行多传感器融合的步骤，以纠正其航行过程中，克服由于水流等因素造成的航行过程中出现的偏移、倾斜等情况，使其完全适配于载人潜水器，具体如图3所示：

(1)首先，建立一个标定板旋转-30°～30°的标定模板库，用以存储不同角度的标定板信息，可以在实验室环境下通过摆放不同角度来进行记录，录入到模板库中以供调用，在ccd拍摄图像时记录下拍摄时刻(0,1,2,…t)，取得一系列时刻集合；

(2)从拍摄的0时刻开始进行初始化，从载人潜水器的姿态传感器中得到该时刻的偏移角度信息，而后对接下来的时刻进行姿态读取得到其偏移角度与初始化的角度进行对比：

(3)如果没有差异则继续，有差异则调用标定模板库，通过获取当前图片偏转角度来调取相应角度的模板库，而后利用上述原理完成二维像素点到三维坐标的转换，得到纠正的点云数据。

上述纠正方式在实施过程中，首先需要对各个不同角度的旋转情况进行记录，从而建立一个标定的模板库；此外还要通过设计特定功能程序块实现对各个时刻姿态信息的调用，有效的解决了针对载人潜水器在水下工作时由于姿态原因导致精度差的问题。

步骤s4、最后通过利用meshlab软件完成3维重构，实现准确的海底探测三维重构。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。