專利名稱：用單臂爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種用單臂爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝的方法。
背景技術(shù)：
在船舶載重量和相關(guān)狀態(tài)參數(shù)計量過程中，水尺測量是極為關(guān)鍵的一個步驟。隨著圖像處理技術(shù)應(yīng)用到船舶吃水自動檢測系統(tǒng)中，獲取真實(shí)的船舶水尺圖像就顯得尤為重要。首先必須采集到高質(zhì)量的船舶水尺圖像，才可能采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行精密檢測，這對 于提高水尺的計量精度具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。目前船舶水尺圖像的采集主要是用圖像采集裝置在船舶的港口側(cè)獲得船舶一側(cè)水尺圖像，在船舶的海水側(cè)以小船為載體獲得船舶的另一側(cè)水尺圖像。由于被測船舶及測量用船舶都受到了波浪的影響，將會降低水尺圖像真實(shí)性，同時也影響后續(xù)的測量結(jié)果。考慮到采集水尺圖像的特殊性，可以以單臂爬壁機(jī)器人為圖像采集裝置的載體采集船舶水尺圖像。目前現(xiàn)有的圖像處理過程都著重強(qiáng)調(diào)了水線的檢測與倒影細(xì)節(jié)的處理等等，忽略了船舶形狀對成像的影響以及由此帶來的二維成像中數(shù)字字符扭曲變形對測量精度的影響。隨著平面圖像立體化技術(shù)成為國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，可利用船舶水尺立體拍攝方法降低船舶形狀等因素對檢測精度的影響，但如何獲得有利于平面圖像立體化的場景二維圖像就成了船舶水尺圖像立體化過程的難題?，F(xiàn)今獲取場景二維圖像的方法主要有雙機(jī)法和單機(jī)法兩大類。雙機(jī)法是將兩架相機(jī)放在同一水平線上，相隔6. 5cm，同時曝光便可；單機(jī)法是用一架相機(jī)在一定距離的同一水平線上相繼拍兩次或者更多次的方法。這兩種方法都是基于雙目視差原理獲得不同角度的場景圖像。由于船舶水尺拍攝系統(tǒng)拍攝的是靜止的大視場，基于降低成本和使用便捷，采用單機(jī)法實(shí)現(xiàn)船舶水尺二維圖像的采集。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中，無論采用單機(jī)法還是雙機(jī)法，操作上均較為復(fù)雜，可控性較差，容易受到外界環(huán)境因素的影響，也不容易準(zhǔn)確獲得船舶水尺不同視角的圖像。特別地，在現(xiàn)有技術(shù)中，在對船舶水尺圖像進(jìn)行采集的過程中，港口側(cè)和海水側(cè)采集環(huán)境的不同，使用現(xiàn)有的采集方法受外界環(huán)境因素影響較大，獲得的圖像質(zhì)量層次不一，只能進(jìn)行定性分析。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種用單臂爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝的方法，旨在克服上文所述的現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。具體而言，本發(fā)明提供一種用單臂爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝的方法，機(jī)器人本體附著在船舶外表面上，能夠沿著船舶外表面移動，從機(jī)器人本體伸出一機(jī)器人臂，該機(jī)器人臂在其自由端上固定有攝像機(jī)，由攝像機(jī)對船舶水尺進(jìn)行立體拍攝，所述方法包括如下步驟機(jī)器人檢測步驟對機(jī)器人進(jìn)行初始狀態(tài)的檢查；攝像確定步驟確定攝像機(jī)的相關(guān)攝像參數(shù)；機(jī)器人運(yùn)動控制步驟通過操作終端遙控機(jī)器人使機(jī)器人在船舶外表面移動；水尺字符發(fā)現(xiàn)步驟通過機(jī)器人在船舶外表面移動，使水尺字符位于攝像機(jī)的拍攝圖像中；直方圖檢測步驟對攝像機(jī)拍攝圖像進(jìn)行直方圖檢測，確定圖像中是否含有水面區(qū)域，此時機(jī)器人自動調(diào)整直至水面區(qū)域位于圖像中；邊緣檢測步驟對拍攝圖像進(jìn)行邊緣檢測，以得到規(guī)范化的水尺圖像，使所拍攝的水面區(qū)域占拍攝圖像的適當(dāng)比例；立體圖像對記錄步驟根據(jù)水尺字符在船舶表面上的位置，水平移動機(jī)器人記錄包含水尺字符的拍攝圖像的一幅或多幅立體圖像對；數(shù)據(jù)存儲步驟將所述一幅或多幅立體圖像對的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，從而為圖像立體化提供二維場景圖像。優(yōu)選地，所述機(jī)器人檢測步驟包括確定機(jī)器人狀態(tài)是否良好，確保不會因船舶外表面的不良物質(zhì)而造成機(jī)器人吸附能力降低。 優(yōu)選地，所述攝像確定步驟包括確定并調(diào)整機(jī)器人臂長度、攝像機(jī)垂直視角、攝像機(jī)垂直視野高度。

優(yōu)選地，在所述水尺字符發(fā)現(xiàn)步驟中，采用一顯示面板通信連接至攝像機(jī)，使攝像機(jī)拍攝圖像顯示在該顯示面板中，以便相應(yīng)調(diào)整拍攝圖像。優(yōu)選地，在所述水尺字符發(fā)現(xiàn)步驟中，調(diào)整圖像使水尺字符位于拍攝圖像的中間位置。更優(yōu)選地，在直方圖檢測步驟中，機(jī)器人在船舶外表面行動，實(shí)時獲得攝像機(jī)的視野范圍，當(dāng)顯示面板中出現(xiàn)水尺字符時，通過人為調(diào)整機(jī)器人，使水尺字符位于拍攝圖像的垂直方向上的合適位置。優(yōu)選地，在直方圖檢測步驟中，如果由拍攝圖像獲得的直方圖顯示只有一個峰值，表明在攝像機(jī)視野范圍內(nèi)只呈現(xiàn)船舶表面，則調(diào)整機(jī)器人垂直向下移動，在此移動期間每隔一定時間進(jìn)行一次直方圖檢測，直至直方圖上顯示的檢測結(jié)果出現(xiàn)兩個峰值，則確定拍攝圖像既呈現(xiàn)船舶表面也呈現(xiàn)水面區(qū)域。優(yōu)選地，所述邊緣檢測步驟通過SUSAN算子或小波過零檢測來實(shí)現(xiàn)。優(yōu)選地，在立體圖像對記錄步驟中，首先記錄下拍攝圖像的左視圖，隨后在攝像機(jī)角度參數(shù)不變的情況下，調(diào)整機(jī)器人向右方向水平移動一定距離，此時記錄拍攝圖像的右視圖，從而獲得立體圖像對。本發(fā)明的上述單臂爬壁機(jī)器人拍攝方法操作簡單、可控性好、受外界環(huán)境因素影響小，可以準(zhǔn)確獲得船舶水尺不同視角圖像的方法，可降低人為因素對后續(xù)圖像處理的影響，可解決船舶形狀等客觀因素對檢測結(jié)果的影響。


圖I示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的圖像采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一種用單臂爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝的方法的流程圖；圖3和4示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所顯示的兩種直方圖；圖5a和5b示出在邊緣檢測前后所示的拍攝圖像。
具體實(shí)施例方式在下文中，相同的附圖標(biāo)記指代相同的元件。
本發(fā)明考慮采用單臂爬壁機(jī)器人作為攝像系統(tǒng)的載體來實(shí)現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝。圖I示出根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的圖像采集裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖I所示，機(jī)器人本體I附著在船舶外表面3上，可沿著船舶外表面3移動。從機(jī)器人本體I伸出一機(jī)器人臂4，該機(jī)器人臂4在其自由端上固定有攝像機(jī)2，由攝像機(jī)2對船舶水尺進(jìn)行立體拍攝。優(yōu)選地，機(jī)器人臂4伸出長度可以為I米，機(jī)器人臂4與機(jī)器人本體I之間所成的角度可為53. 13°。攝像機(jī)可以采用1/2”(XD，1628X1236的相機(jī)，5毫米焦距的鏡頭，該攝像機(jī)的垂直視角為51.2°。可以調(diào)整攝像機(jī)，使攝像機(jī)光軸5與機(jī)器人臂4成適當(dāng)角度，例如71. 8°。如采用如上例示的數(shù)據(jù)，可計算得出攝像機(jī)的視野垂直高度約為I. 5米。根據(jù)攝像機(jī)的不同拍攝系統(tǒng)，可以重新確定上述角度參數(shù)。采用上述結(jié)構(gòu)，通過合理調(diào)節(jié)，就為獲得規(guī)范化的水尺圖像做好準(zhǔn)備。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一種用單臂爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝的方法的流程圖。本方法利用單臂爬壁機(jī)器人為載體以平行立體攝像模式模擬人類視覺感知三維外景，在水平方向上相隔一定距離先后分別記錄外景的左右視圖。上述方法包括如下步驟機(jī)器人檢測步驟100如圖I所示，在檢測步驟100中，進(jìn)行機(jī)器人狀態(tài)檢測。在該步驟中，對機(jī)器人進(jìn)行初始狀態(tài)的檢查，例如，確定機(jī)器人狀態(tài)是否良好，確保不會因船舶外表面的灰塵、鹽分等其他不良物質(zhì)而造成機(jī)器人吸附能力降低，從而避免機(jī)器人自身的缺陷而在后續(xù)操作過程中處于危險狀態(tài)。攝像確定步驟101如圖I所不，在檢測步驟100之后進(jìn)入攝像確定步驟101,確定攝像機(jī)的相關(guān)攝像參數(shù)。如上文在介紹機(jī)器人結(jié)構(gòu)時所述，確定并調(diào)整機(jī)器人臂長度、攝像機(jī)垂直視角、攝像機(jī)垂直視野高度。需要注意的是，單臂爬壁機(jī)器人在獲取規(guī)范圖像的過程中機(jī)器人臂與攝像機(jī)光軸和機(jī)器人本體分別成一定的角度，為了便于圖像立體化，在機(jī)器人移動過程中攝像機(jī)不能改變上述角度的大小。機(jī)器人運(yùn)動控制步驟102在攝像確定步驟101之后進(jìn)入機(jī)器人運(yùn)動控制步驟102。在該步驟中，通過操作終端遙控機(jī)器人使機(jī)器人在船舶外表面移動。水尺字符發(fā)現(xiàn)步驟103通過操作終端遙控機(jī)器人使機(jī)器人在船舶外表面移動，以使水尺字符位于攝像機(jī)拍攝圖像中，優(yōu)選地，調(diào)整圖像使水尺字符大致位于圖像的中間位置。例如，可以采用一顯示面板通信連接至攝像機(jī)，使攝像機(jī)拍攝圖像顯示在該顯示面板中，以便操作人員對拍攝圖像進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。盲方圖檢測步驟104對攝像機(jī)拍攝圖像進(jìn)行直方圖檢測，確定圖像中是否含有水面區(qū)域，此時機(jī)器人可以自動調(diào)整直至水面區(qū)域位于圖像中。優(yōu)選地，機(jī)器人在船舶外表面行動，實(shí)時獲得攝像機(jī)的視野范圍，當(dāng)顯示面板中出現(xiàn)水尺字符時，通過人為調(diào)整機(jī)器人，使水尺字符盡可能位于拍攝圖像的垂直方向上的合適位置(例如，中間位置)。上述調(diào)整完成之后，對圖像進(jìn)行直方圖統(tǒng)計。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例所顯示的一種直方圖。如圖3所示，直方圖顯示只有一個峰值，這表明在攝像機(jī)視野范圍內(nèi)只呈現(xiàn)船舶表面，而并不呈現(xiàn)水面區(qū)域。在圖3所示直方圖的基礎(chǔ)上進(jìn)一步調(diào)整機(jī)器人垂直向下移動，在此移動期間每隔一定時間(例如10秒鐘)進(jìn)行一次直方圖檢測，直至直方圖上顯示的檢測結(jié)果出現(xiàn)如圖4所示的兩個峰值，則確定拍攝圖像既呈現(xiàn)船舶表面(特別呈現(xiàn)出水尺字符)也呈現(xiàn)水面區(qū)域。邊緣檢測步驟105在直方圖檢測步驟104之后進(jìn)入邊緣檢測步驟105。邊緣檢測例如可以通過SUSAN算子或小波過零檢測來實(shí)現(xiàn)。對拍攝圖像進(jìn)行邊緣檢測，以得到規(guī)范化的水尺圖像，使所拍攝的水面區(qū)域占拍攝圖像的適當(dāng)比例(例如1/3)。規(guī)范化的拍攝圖像可以有效降低隨后進(jìn)行的水尺圖像檢測的難度。 圖5a示出在邊緣檢測之前所示的拍攝圖像。圖5a中呈現(xiàn)有水面區(qū)域以及包含水尺字符的船舶表面。然而，如圖5a所示，此時的水面區(qū)域在拍攝圖像中所占的比例較低，為此需要進(jìn)行調(diào)整。圖5b顯示出在邊緣檢測之后所示的拍攝圖像。如圖5b所示，水面區(qū)域在拍攝圖像中占據(jù)的比例明顯變高。優(yōu)選地，可以通過確定水線所在區(qū)域大致位于拍攝圖像中的行數(shù)來判定拍攝圖像是否規(guī)范化。例如，對拍攝圖像進(jìn)行水線邊緣檢測并確定水線所在區(qū)域大致位于圖像中的行數(shù)，當(dāng)水線位于824行上下20行的區(qū)域內(nèi)時，此時攝像機(jī)所對的視野為I. 5米高的水尺區(qū)域，即為規(guī)范化的拍攝圖像。立體圖像對記錄步驟106隨后，根據(jù)水尺字符在船舶表面上的位置，水平移動機(jī)器人記錄包含水尺字符的拍攝圖像的立體圖像對，例如左右視圖?？梢韵扔涗涀笠晥D再記錄右視圖，也可以先記錄右視圖再記錄左視圖。例如，首先記錄下拍攝圖像的左視圖，隨后在攝像機(jī)角度參數(shù)不變的情況下，為了得到立體圖像對，調(diào)整機(jī)器人向右方向水平移動一定距離(例如，O. 4米)，此時記錄拍攝圖像的右視圖。優(yōu)選地，為了使后續(xù)的三維重建更加準(zhǔn)確，可以將機(jī)器人在水平移動的過程中對稱地記錄多幅水尺立體圖像對。數(shù)據(jù)存儲步驟107在使用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了對船舶水尺圖像的立體拍攝之后，將上述一幅或多幅立體圖像對的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，從而為圖像立體化提供二維場景圖像。如上述各步驟所述，通過簡單的直方圖檢測與邊緣檢測，可使攝像系統(tǒng)得到規(guī)范化的水尺圖像，可降低后續(xù)圖像處理的復(fù)雜度；利用單臂爬壁機(jī)器人為攝像系統(tǒng)的載體，可準(zhǔn)確真實(shí)的獲得船舶外水尺的圖像，也可解決在圖像采集過程中因人為因素影響圖像質(zhì)量的困難，并且攝像系統(tǒng)的參數(shù)能夠準(zhǔn)確計算，為水尺圖像的立體化奠定了基礎(chǔ)。綜上所述，由于圖像的采集過程、船舶形狀及對水尺字符的扭曲變形直接影響水尺計量的結(jié)果，因此通過采用根據(jù)本發(fā)明的單臂爬壁機(jī)器人可以有效地實(shí)現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝方法來獲得圖像的立體圖像對，以便下一步進(jìn)行立體化。
具體而言，利用爬壁機(jī)器人在船舶表面移動，統(tǒng)一了采集環(huán)境，且受外界環(huán)境影響較小，也不會因人為因素增加干擾。另外，利用單臂爬壁機(jī)器人確保了立體成像對所采用的攝像系統(tǒng)參數(shù)一致，由此而獲得規(guī)范化的船舶水尺圖像。而且，利用圖像的直方圖檢測與邊緣檢測的結(jié)果使機(jī)器人調(diào)整攝像系統(tǒng)的視野區(qū)域，降低了后續(xù)圖像處理的復(fù)雜度。進(jìn)一步，用單臂爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)船舶水尺立體成像方法操作過程簡單，容易實(shí)現(xiàn)，參數(shù)直觀，有利于后續(xù)的立體化與圖像處理、分析與理解。特別地，本發(fā)明的上述方法能夠準(zhǔn)確地獲得船舶水尺的立體圖像對。利用單臂爬壁機(jī)器人作為攝像系統(tǒng)的載體，保證了攝像機(jī)的自平衡性能，聚焦性能、變焦性能、幾何失真、增益控制、光圈控制、會聚控制和視差控制都非常精密的一致，使攝像系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)能夠通過精確計算確定，并且由于機(jī)器人的運(yùn)動只是簡單的水平移動，因此攝像系統(tǒng)的運(yùn)動參數(shù)也可確定，有利于以平面圖像立體化技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像立體化。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以理解的是，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于上述實(shí)施例，所有對本發(fā)明的等同變換均落在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用單臂爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝的方法，其特征在于，機(jī)器人本體附著在船舶外表面上，能夠沿著船舶外表面移動，從機(jī)器人本體伸出一機(jī)器人臂，該機(jī)器人臂在其自由端上固定有攝像機(jī)，由攝像機(jī)對船舶水尺進(jìn)行立體拍攝，所述方法包括如下步驟 機(jī)器人檢測步驟對機(jī)器人進(jìn)行初始狀態(tài)的檢查； 攝像確定步驟確定攝像機(jī)的相關(guān)攝像參數(shù)； 機(jī)器人運(yùn)動控制步驟通過操作終端遙控機(jī)器人使機(jī)器人在船舶外表面移動； 水尺字符發(fā)現(xiàn)步驟通過機(jī)器人在船舶外表面移動，使水尺字符位于攝像機(jī)的拍攝圖像中； 直方圖檢測步驟對攝像機(jī)拍攝圖像進(jìn)行直方圖檢測，確定圖像中是否含有水面區(qū)域，此時機(jī)器人自動調(diào)整直至水面區(qū)域位于圖像中； 邊緣檢測步驟對拍攝圖像進(jìn)行邊緣檢測，以得到規(guī)范化的水尺圖像，使所拍攝的水面區(qū)域占拍攝圖像的適當(dāng)比例； 立體圖像對記錄步驟根據(jù)水尺字符在船舶表面上的位置，水平移動機(jī)器人記錄包含水尺字符的拍攝圖像的一幅或多幅立體圖像對； 數(shù)據(jù)存儲步驟將所述一幅或多幅立體圖像對的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，從而為圖像立體化提供二維場景圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述機(jī)器人檢測步驟包括確定機(jī)器人狀態(tài)是否良好，確保不會因船舶外表面的不良物質(zhì)而造成機(jī)器人吸附能力降低。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述攝像確定步驟包括確定并調(diào)整機(jī)器人臂長度、攝像機(jī)垂直視角、攝像機(jī)垂直視野高度。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述水尺字符發(fā)現(xiàn)步驟中，采用一顯示面板通信連接至攝像機(jī)，使攝像機(jī)拍攝圖像顯示在該顯示面板中，以便相應(yīng)調(diào)整拍攝圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述水尺字符發(fā)現(xiàn)步驟中，調(diào)整圖像使水尺字符位于拍攝圖像的中間位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在直方圖檢測步驟中，機(jī)器人在船舶外表面行動，實(shí)時獲得攝像機(jī)的視野范圍，當(dāng)顯示面板中出現(xiàn)水尺字符時，通過人為調(diào)整機(jī)器人，使水尺字符位于拍攝圖像的垂直方向上的合適位置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在直方圖檢測步驟中，如果由拍攝圖像獲得的直方圖顯示只有一個峰值，表明在攝像機(jī)視野范圍內(nèi)只呈現(xiàn)船舶表面，則調(diào)整機(jī)器人垂直向下移動，在此移動期間每隔一定時間進(jìn)行一次直方圖檢測，直至直方圖上顯示的檢測結(jié)果出現(xiàn)兩個峰值，則確定拍攝圖像既呈現(xiàn)船舶表面也呈現(xiàn)水面區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述邊緣檢測步驟通過SUSAN算子或小波過零檢測來實(shí)現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在立體圖像對記錄步驟中，首先記錄下拍攝圖像的左視圖，隨后在攝像機(jī)角度參數(shù)不變的情況下，調(diào)整機(jī)器人向右方向水平移動一定距尚,此時記錄拍攝圖像的右視圖，從而獲得立體圖像對。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用單臂爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝的方法，包括機(jī)器人檢測步驟、攝像確定步驟、機(jī)器人運(yùn)動控制步驟、水尺字符發(fā)現(xiàn)步驟、直方圖檢測步驟、邊緣檢測步驟、立體圖像對記錄步驟、數(shù)據(jù)存儲步驟。上述單臂爬壁機(jī)器人拍攝方法操作簡單、可控性好、受外界環(huán)境因素影響小，可以準(zhǔn)確獲得船舶水尺不同視角圖像的方法，可降低人為因素對后續(xù)圖像處理的影響，可解決船舶形狀等客觀因素對檢測結(jié)果的影響。
文檔編號B63C11/52GK102826209SQ201210276310
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者王萬耀, 許文海, 谷紅偉, 張海昕, 張永紅, 張望, 吳青松, 王子乾, 劉宇, 秦宇, 劉岱楠 申請人:中國神華能源股份有限公司, 神華銷售集團(tuán)有限公司, 北京神華昌運(yùn)高技術(shù)配煤有限公司