[發(fā)明專利]一種水下測量的設(shè)備與水下測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110542914.0
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113137920B
• 公開（公告）日: 2022-09-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊夢寧;韓彪;張兵;李小斌;陳開潤;何鑫;汪涵;向剛;李亞濤
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué);西安電子科技大學(xué);中國科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所;重慶米弘科技有限公司
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/02;G06T5/00;G06T7/136;G06T7/80;G06T7/90
• 代理公司: 重慶晟軒知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 50238
• 代理人: 王海鳳

1.一種水下測量的設(shè)備，其特征在于：包括殼體，密封在殼體內(nèi)的控制與分析單元、相機(jī)和四個(gè)激光器，且所述相機(jī)光軸方向和四個(gè)激光器所發(fā)激光的方向平行；

所述殼體上具有相機(jī)拍攝和四個(gè)激光器所發(fā)激光透出的透明區(qū)域；

所述控制與分析單元用于控制激光器發(fā)射激光，獲取相機(jī)影像并分析目標(biāo)物體的距離和二維尺寸；

所述相機(jī)用于獲取目標(biāo)區(qū)域中的激光光斑影像；

所述四個(gè)激光器用于在測量目標(biāo)區(qū)域形成四個(gè)激光光斑；

所述測量步驟包括：

S100：數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

S110：控制與分析單元控制四個(gè)激光器發(fā)射激光，相機(jī)進(jìn)行拍攝，控制與分析單元對拍攝的激光光斑圖像進(jìn)行光斑檢測，具體描述如下：

S111：檢測范圍設(shè)定，根據(jù)光斑顏色進(jìn)行閾值分割得到二值圖像，將所得二值圖像中輪廓的最小外接矩形即為檢測范圍；

S112：檢測光斑位置確定，在檢測范圍內(nèi)獲取灰度最大的四個(gè)位置設(shè)為四個(gè)激光光斑所在位置；

S120：相機(jī)標(biāo)定，在同樣的水質(zhì)環(huán)境中拍攝N張棋盤格圖像，基于張正友棋盤格標(biāo)定法標(biāo)定水下相機(jī)，確定水下相機(jī)的內(nèi)參矩陣mtx和畸變系數(shù)dst，如下所示：

dst＝[k1，k2，k3，p1，p2]＝[0.0909，-0.1621，0.0059，0.0016，0.1469] (2)

其中，等式(1)中u₀，v₀是圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)在像素坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，d_x和d_y分別是每個(gè)像素在圖像平面x和y方向上的物理尺寸，f_x、f_y由f/d_x、f/d_y計(jì)算而來，f為焦距，等式(2)中k1，k2，k3為相機(jī)的徑向畸變系數(shù)，p1，p2為相機(jī)的切向畸變系數(shù)；

S130：圖像角度校正，對所述N張棋盤格圖像中存在角度偏轉(zhuǎn)的圖像進(jìn)行校正；

S140：數(shù)據(jù)集制作，在校正后的N張圖像中，計(jì)算每張圖像中四個(gè)激光光斑之間的像素?cái)?shù)之和perimeter作為輸入特征，相機(jī)離光斑所在平面的距離記為distance作為標(biāo)簽，獲取N組數(shù)據(jù)對(perimeter，distance)構(gòu)成的數(shù)據(jù)集作為訓(xùn)練集；

S200：距離測量

S210：基于S140制作的數(shù)據(jù)集，在perimeter和distance之間建立非線性映射關(guān)系，如等式(7)，將訓(xùn)練集中的訓(xùn)練樣本輸入到非線性映射關(guān)系中進(jìn)行訓(xùn)練；

distance′＝a(perimeter)^b (7)

其中a、b為訓(xùn)練中需更新的參數(shù)，通過自動(dòng)選擇隨機(jī)化種子進(jìn)行初始化，訓(xùn)練過程通過調(diào)整a、b使distance′與distance的差距不斷縮小，直至差距不再發(fā)生變化，訓(xùn)練結(jié)束；

S220：保存收斂的模型如等式(8)-等式(10)：

distance′＝a(perimeter)^b (8)

a＝374045.80867986963 (9)

b＝-1.3327215188298143 (10)

S300：測試圖像距離測量，采用S110至S140中的方法對測試圖像進(jìn)行校正處理和特征提取，將獲得的特征輸入到S220保存的模型中，即可測量相機(jī)離測試圖像中光斑平面的距離r_distance；

S400：目標(biāo)尺寸測量

S410：目標(biāo)物體的標(biāo)記，在測試圖像中標(biāo)記目標(biāo)物體的待測起點(diǎn)和終點(diǎn)，控制與分析單元通過顏色閾值法自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)物體的待測起點(diǎn)和終點(diǎn)；

S420：根據(jù)等式(10)計(jì)算目標(biāo)物體待測起點(diǎn)(x₁，y₁)和終點(diǎn)(x₂，y₂)之間的像素距離，即目標(biāo)物體的像素尺寸；

S430：目標(biāo)物體實(shí)際尺寸r_size計(jì)算，根據(jù)求得的相機(jī)焦距f＝mtx[1][1]、相機(jī)離測試圖像中光斑平面的實(shí)際距離r_distance，目標(biāo)物體的像素尺寸p_size，基于相機(jī)小孔成像原理中的三角形相似關(guān)系，可得到公式(11)；

可得目標(biāo)物體的實(shí)際尺寸r_size：

r_size＝(r_distance*p_size)/f (12)。

2.如權(quán)利要求1所述的水下測量的設(shè)備，其特征在于：所述S130對所述N張棋盤格圖像中存在角度偏轉(zhuǎn)的圖像進(jìn)行校正的步驟包括：

S131：計(jì)算待校正圖像的外參矩陣，通過光斑檢測獲得四點(diǎn)光斑的相對位置，然后將左上角的光斑映射到坐標(biāo)原點(diǎn)，其余點(diǎn)同等變換，即獲得四點(diǎn)光斑的世界坐標(biāo)，世界坐標(biāo)系和像素坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

其中Z_c為Z軸上的相機(jī)坐標(biāo)值，M₁為相機(jī)的內(nèi)參矩陣，M₂為相機(jī)的外參矩陣，由此可得，在已知Z_c、相機(jī)內(nèi)參矩陣M₁、四點(diǎn)光斑的世界坐標(biāo)(X_w，Y_w，Z_w)^T和像素坐標(biāo)(u，v)^T時(shí)，可求得圖像的外參矩陣M₂；

S132：計(jì)算單應(yīng)性矩陣，等式(4)即為單應(yīng)性矩陣：

S133：基于單應(yīng)性矩陣對待校正圖進(jìn)行透視投影變換，根據(jù)等式(5)和等式(6)計(jì)算透視投影變換后的坐標(biāo)(u′，v′)，(u，v)為變換前的像素坐標(biāo)，對整張圖進(jìn)行變換操作，即可得到校正后的圖；