一种基于超声波的水下虚拟现实成像系统及其应用方法与流程

本发明属于超声测量技术领域，具体地说，涉及一种基于超声波的水下虚拟现实成像系统及其应用方法。

背景技术

在极深或浑浊的水下狭窄环境中（如溶洞和地下水道等环境），由于水体中的水分子和水体中含有的各种物质都对光有吸收作用，因此即使依靠强光，可视的距离往往很短，甚至于无法形成有效视觉，在如溶洞探险或救援行动等行动中，潜水人员在复杂水下环境中由于视觉的限制，无法看清水下环境情况，容易遇到如碰撞崖壁，掉落孔洞，设置遇到水底暗流等危险，十分不利于行动的展开。

技术实现要素：

本发明的所要解决的技术问题在于提供一种基于超声波实时检测水下环境情况，并实时将水下环境形成虚拟影像提供给潜水人员以使潜水人员能够更清晰的获取水下环境的水下虚拟现实成像系统及其应用方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案为：

一种基于超声波的水下虚拟现实成像系统，包括如下模块：

超声换能器模块，用于发射和接收超声波；

超声相控阵控制模块，用于控制超声换能器模块发射出超声波对水下环境进行检测，并超声换能器模块接收到的反射回来的超声波转化为超声信号，并将超声信号进行传输；

成像处理模块，用于处理从超声相控阵控制模块传输而来的超声信号，依据超声信号进行实时的3d/4d图像建模与3d/4d图像重建；

虚拟影像模块，用于将成像处理模块中建立或重建的3d/4d图像转换为立体图像；

显示模块，用于显示虚拟影像处理完成后的立体图像。

具体的，所述成像处理模块中还设有如下模块：

成像增强模块，用于依据从超声相控阵控制模块传输而来的超声信号，对应在3d/4d图像中叠加环境、距离、尺寸信息。

具体的，所述成像增强模块中包含如下模块：

距离测量模块，用于依据从超声相控阵控制模块传输而来的超声信号，按照超声测距原理，测量水中异物与检测点之间的距离，并将对应的数据叠加到3d/4d图像中；

尺寸测量模块，用于依据从超声相控阵控制模块传输而来的超声信号，按照超声缺陷检测原理测量水中异物是否存在孔洞并判断孔洞的尺寸，最后对应的数据叠加到3d/4d图像中；

水体测量模块，用于依据从超声相控阵控制模块传输而来的超声信号，按照多普勒成像的原理测量水体的流动方向与流动速率，按照声衰减测量的原理测量水体的浑浊程度，最后将对应的数据叠加到3d/4d图像中。

具体的，所述超声换能器模块由至少一个超声换能器按阵列排布的方式构成。

优选的，所述显示模块为vr设备。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案为：

一种用于如上述基于超声波的水下虚拟现实成像系统的应用方法，包括如下步骤：

发射超声波，超声相控阵控制模块控制超声换能器模块进行超声波的发射，开始超声检测；

接收超声波，超声波被水中异物碰触并反射回超声换能器模块，进而被超声换能器模块接收，经超声相控阵控制模块处理形成超声信号；

传输信号，超声相控阵控制模块将超声信号传输到成像处理模块；

3d建模，成像处理模块依据超声信号，进行实时的3d/4d图像建模与3d/4d图像重建，并将建立的3d/4d图像传输到虚拟影像模块；

虚拟图像转化，虚拟影像模块将接收到3d/4d图像利用vr技术原理，转化成能够通过显示模块进行显示的立体图像；

图像显示，将立体图像传输至显示模块中，进行显示。

具体的，所述3d建模步骤中，还包括如下步骤：

图像增强，成像处理模块中的成像增强模块依据超声信号，进行环境参数的测量，并叠加到3d/4d图像上。

具体的，所述图像增强步骤中，还包括如下步骤：

距离测量，按照超声测距原理，对超声信号进行分析，获取水中异物与检测点之间的距离，并叠加到3d/4d图像上；

尺寸测量，按照超声缺陷检测原理，对超声信号进行分析，获取水中异物是否存在孔洞，若存在孔洞，则获取孔洞的尺寸，并叠加到3d/4d图像上；

水体测量，按照多普勒成像原理与声衰减测量原理，对超声信号分析，获取水体的流动方向、流动速率与浑浊程度，并叠加到3d/4d图像上。

本发明的具有以下有益效果：利用超声波反射获取水下狭窄环境中的相关信息，在vr设备中直接显示，同时，采用虚拟现实（vr）技术，使在vr设备中显示的水下环境与在可视环境时实际眼睛所看到的图像包括距离，尺寸等均完全一致，从而使潜水人员在使用本发明提供的产品时，能够有效的辅助潜水人员在水中进行行动时准确的做出各种判断，进而降低潜水人员在水下行动时，所遇到的危险。

附图说明

图1为本发明一种基于超声波的水下虚拟现实成像系统的结构框图。

图2为本发明一种基于超声波的水下虚拟现实成像系统应用方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

本发明实施例的一种基于超声波的水下虚拟现实成像系统如图1所示，包括如下模块：

超声换能器模块，用于发射和接收超声波；具体的，所述超声换能器模块由至少一个超声换能器按阵列排布的方式构成，超声换能器发出的超声波接触到水下异物时会被反射回超声换能器中，从而使超声换能器能够接收到外界的反馈回来的超声波。超声换能器的阵列排布可以是任意的几何阵列排布方式，包括且不限于一维、二维、矩阵、扇形、环形等中的任意一种或多种的组合。

超声相控阵控制模块，用于控制超声换能器模块发射出超声波对水下环境进行检测，并超声换能器模块接收到的反射回来的超声波转化为超声信号，并将超声信号进行传输；超声相控阵控制模块主要是控制超声换能器模块的发射与接收，基本的原理为超声相控阵系统技术。

成像处理模块，用于处理从超声相控阵控制模块传输而来的超声信号，依据超声信号进行实时的3d/4d图像建模与3d/4d图像重建；超声相控阵控制模块所传输出来的超声信号中还包括超声换能器的发射法则与接受法则，从而保证成像处理模块能够依据超声的实时3d/4d成像原理，对超声信号进行实时的3d/4d图像建模与3d/4d图像重建，在最开始使用时，因未留存任何3d/4d图像，因此，首次为3d/4d图像建模，之后，由于潜水人员的移动，导致超声信号的变化，需要对3d/4d图像重建，从而保证3d/4d图像能够实时随着潜水人员的行动而变化。

在成像处理模块中还内置了成像增强模块，用于依据从超声相控阵控制模块传输而来的超声信号，对应在3d/4d图像中叠加环境、距离、尺寸信息。为了达到图像增强的目的，成像增强模块中包含如下模块：

距离测量模块，用于依据从超声相控阵控制模块传输而来的超声信号，按照超声测距原理，测量水中异物与检测点之间的距离，并将对应的数据叠加到3d/4d图像中；距离的测量，可以有效的为潜水人员提供前方水中异物包括崖壁、水中生物等各种异物与潜水人员的距离，方便潜水人员进行规避。

尺寸测量模块，用于依据从超声相控阵控制模块传输而来的超声信号，按照超声缺陷检测原理测量水中异物是否存在孔洞并判断孔洞的尺寸，最后对应的数据叠加到3d/4d图像中；主要作用是用于判断水中异物所存在的孔洞是否能够供潜水人员通行，尤其适合与水下溶洞探险或救援行动。

水体测量模块，用于依据从超声相控阵控制模块传输而来的超声信号，按照多普勒成像的原理测量水体的流动方向与流动速率，按照声衰减测量的原理测量水体的浑浊程度，最后将对应的数据叠加到3d/4d图像中。该模块主要测量水体的基本情况，防止潜水人员遇到暗流，而当浑浊情况异常时，可以判定前方可能出现异常情况，需要多加留意。

虚拟影像模块，用于将成像处理模块中建立或重建的3d/4d图像转换为立体图像；该模块使用的为虚拟现实（vr）技术进行实现，因此，建立后的立体图像基本与外界眼睛看到的所一致，能够给人一种直观的视觉体验。

显示模块，用于显示虚拟影像处理完成后的立体图像。优选的，所述显示模块为vr设备。为了方便水下作业，一般选用防水等级高的vr眼镜，潜水人员带上vr眼镜后不会影响到其活动情况。优选的，本发明提供的一种基于超声波的水下虚拟现实成像系统完全集成在vr眼镜中。

本发明还提供了一种用于如上述基于超声波的水下虚拟现实成像系统的应用方法如图2所示，包括如下步骤：

发射超声波，超声相控阵控制模块控制超声换能器模块进行超声波的发射，开始超声检测；

接收超声波，超声波被水中异物碰触并反射回超声换能器模块，进而被超声换能器模块接收，经超声相控阵控制模块处理形成超声信号；

传输信号，超声相控阵控制模块将超声信号传输到成像处理模块；

3d建模，成像处理模块依据超声信号，进行实时的3d/4d图像建模与3d/4d图像重建，并将建立的3d/4d图像传输到虚拟影像模块；该步骤中还包括了图像增强，成像处理模块中的成像增强模块依据超声信号，进行环境参数的测量，并叠加到3d/4d图像上，具体的，还包括如下步骤：

距离测量，按照超声测距原理，对超声信号进行分析，获取水中异物与检测点之间的距离，并叠加到3d/4d图像上；

尺寸测量，按照超声缺陷检测原理，对超声信号进行分析，获取水中异物是否存在孔洞，若存在孔洞，则获取孔洞的尺寸，并叠加到3d/4d图像上；

水体测量，按照多普勒成像原理与声衰减测量原理，对超声信号分析，获取水体的流动方向、流动速率与浑浊程度，并叠加到3d/4d图像上。

虚拟图像转化，虚拟影像模块将接收到3d/4d图像利用vr技术原理，转化成能够通过显示模块进行显示的立体图像；

图像显示，将立体图像传输至显示模块中，进行显示。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。