一種水下云臺(tái)自動(dòng)清潔的方法與系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明用于易受污染的深海觀測(cè)環(huán)境，涉及一種水下云臺(tái)自動(dòng)清潔方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 海洋占地球表面積的71%，蘊(yùn)藏著巨大的能量和資源，并且與人類生存、發(fā)展息息 相關(guān)，對(duì)于海洋的開(kāi)發(fā)與利用具有深遠(yuǎn)意義。進(jìn)入21世紀(jì)，海底觀測(cè)網(wǎng)做為一種對(duì)海洋開(kāi) 發(fā)的有效方式，備受青睞。
[0003] 然而海洋生物種類繁多，這些海洋生物會(huì)對(duì)觀測(cè)網(wǎng)中的攝像云臺(tái)進(jìn)行附著、污染， 導(dǎo)致拍攝圖像質(zhì)量下降甚至無(wú)法觀測(cè)。
[0004] 目前對(duì)于水下攝像云臺(tái)的清潔主要采用手工清潔與清潔刷定時(shí)清潔的方式。手工 清潔需對(duì)攝像云臺(tái)進(jìn)行打撈，不僅繁瑣而且增加成本。一些云臺(tái)帶有清潔刷，可通過(guò)程序， 以定時(shí)方式進(jìn)行清潔，然而這種方式忽視圖像質(zhì)量，當(dāng)?shù)竭_(dá)清潔時(shí)刻，即使圖像清晰也會(huì)進(jìn) 行清潔，造成能源浪費(fèi)。
[0005] 圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)是圖像處理領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典的研究課題，它是通過(guò)一系列高效算 法，對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出較符合人眼視覺(jué)系統(tǒng)的質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng) 域。圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)可分為：全參考評(píng)價(jià)方法，部分參考評(píng)價(jià)方法與無(wú)參考質(zhì)量方法。其中全 參考質(zhì)量方法最為常用，它是利用圖像質(zhì)量算法對(duì)參考圖像與實(shí)時(shí)圖像的一些指標(biāo)進(jìn)行對(duì) t匕，然后將這些指標(biāo)進(jìn)行匯聚，整合，并將整合的數(shù)據(jù)作為實(shí)時(shí)圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果。
[0006] 經(jīng)典的全參考評(píng)價(jià)方法是峰值信噪比（PSNR)與均方誤差法（MSE)，定義為：
[0009] 上式中t (X，y)，f' ^ (X，y)分別表示為參考圖像與實(shí)時(shí)圖像第i行，第j列像素 值，Μ為圖片每行的像素個(gè)數(shù)，N為圖片每列的像素個(gè)數(shù)。由上式可知，這種方法對(duì)參考圖象 與實(shí)時(shí)圖像的像素值進(jìn)行作差，并對(duì)差值進(jìn)行累加求和，差值越大，圖像質(zhì)量越低，物理意 義明確，計(jì)算簡(jiǎn)單。然而其僅僅是對(duì)像素點(diǎn)之間絕對(duì)誤差的純數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，把圖像中所有像素 點(diǎn)做同等對(duì)待，沒(méi)有考慮到像素點(diǎn)間的相關(guān)性，不符合人眼視覺(jué)系統(tǒng)的感知特性。
[0010] 結(jié)構(gòu)相似度理論（SS頂)，是由WangZhou等人于2004年提出的。該理論認(rèn)為該理 論認(rèn)為人眼在觀察一幅圖像的時(shí)候，首先提取的是圖像的結(jié)構(gòu)信息。人眼對(duì)一幅圖像質(zhì)量 好壞的判斷，更多的是對(duì)結(jié)構(gòu)信息失真的判斷。從高層次上模擬人眼視覺(jué)系統(tǒng)的功能，把結(jié) 構(gòu)信息分為亮度1 (X，y)，對(duì)比度C (X，y)，結(jié)構(gòu)相似度S (X，y)三部分。1 (X，y)用均值進(jìn)行估 計(jì)，c (X，y)用標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行估計(jì)，s (X，y)用協(xié)方差進(jìn)行估計(jì)。

[0015] SS頂算法考慮了像素之間的關(guān)聯(lián)性，更符合人眼視覺(jué)特性。然而，SS頂不能很好 的反映邊緣紋理信息，對(duì)模糊類型的圖像失真，辨別能力較差。
[0016] 針對(duì)SS頂?shù)娜毕?，楊春玲等人?duì)SS頂進(jìn)行改進(jìn)，提出了梯度結(jié)構(gòu)相似度的理論， 該理論認(rèn)為梯度是一個(gè)衡量像素值變化率的算子，能很好反映圖像邊緣結(jié)構(gòu)信息，將梯度 做為算法的主要成分，能很好的評(píng)價(jià)模糊失真的圖像。
[0020] 上式中Gx(i，j)代表（i，j)處的梯度，
分別反映該點(diǎn)像素值的水平 變化率與堅(jiān)直變化率，通過(guò)以該點(diǎn)為中心的九個(gè)點(diǎn)與Sobel算子相乘實(shí)現(xiàn)，g(i，j)為圖片 像素第i行，第j列處的像素。
[0021] PELC0_D是較為流行的云臺(tái)控制協(xié)議，該協(xié)議采用一個(gè)數(shù)據(jù)包的格式傳輸，所有數(shù) 據(jù)均采用十六進(jìn)制，一個(gè)命令數(shù)據(jù)包由7個(gè)字節(jié)組成，完成對(duì)指定地址云臺(tái)的控制。其缺少 反饋功能，以及復(fù)位云臺(tái)控制器等指令。
[0022] 獲取像素通常有三種方法：提取像素法，內(nèi)存法，提取像素法是利用GetPixel方 法對(duì)像素逐一讀取，運(yùn)算速度慢，內(nèi)存法是獲得圖像像素的首地址，將整幅圖像復(fù)制到內(nèi)存 數(shù)組中，快捷高效。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0023] 針對(duì)水下攝像云臺(tái)易受污染，且不能高效清潔的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種水下云臺(tái) 自動(dòng)清潔方法和系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底云臺(tái)的有效清潔。
[0024] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種水下云臺(tái)自動(dòng)清潔的方法，包 括以下步驟：
[0025] 1. 1陸地工控機(jī)發(fā)出云臺(tái)定位指令，使云臺(tái)運(yùn)動(dòng)到與參考圖像拍攝地點(diǎn)一致的拍 攝位置，云臺(tái)到達(dá)后向陸地工控機(jī)發(fā)送到達(dá)反饋信息；
[0026] 1. 2陸地工控機(jī)接收到云臺(tái)到達(dá)拍攝位置的反饋信息后，打開(kāi)照明燈，利用水下攝 像機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行拍攝，做為實(shí)時(shí)圖像；
[0027] 1. 3陸地工控機(jī)將實(shí)時(shí)圖像與參考圖像進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)；
[0028] 1. 4如果圖像質(zhì)量低于設(shè)定值，則陸地工控機(jī)向云臺(tái)控制器發(fā)送清潔命令；
[0029] 1. 5云臺(tái)控制器接收控制指令后，驅(qū)動(dòng)清潔刷電機(jī)，對(duì)鏡頭進(jìn)行清潔，清潔完成后 向陸地工控機(jī)發(fā)送清潔完成信息。
[0030] 所述步驟1. 1包括以下步驟：
[0031] 1. 1. 1云臺(tái)接收到定位指令后，先進(jìn)行水平定位：云臺(tái)控制器通過(guò)檢測(cè)水平角度 電位器的數(shù)值，與水平角度預(yù)置值進(jìn)行比較，當(dāng)誤差在預(yù)定范圍之內(nèi)，則停止水平定位，否 則繼續(xù)驅(qū)動(dòng)電機(jī)向指定水平位置運(yùn)動(dòng)；
[0032] 1. 1.2水平定位實(shí)現(xiàn)后，進(jìn)行堅(jiān)直定位；云臺(tái)控制器通過(guò)檢測(cè)堅(jiān)直角度電位器的 數(shù)值，與堅(jiān)直角度預(yù)置值進(jìn)行比較，當(dāng)誤差在預(yù)定范圍之內(nèi)，則停止堅(jiān)直定位，否則繼續(xù)驅(qū) 動(dòng)電機(jī)向指定堅(jiān)直位置運(yùn)動(dòng)。
[0033] 所述打開(kāi)照明燈以使實(shí)時(shí)圖像與參考圖像背景亮度相一致。
[0034] 所述陸地工控機(jī)通過(guò)232總線向云臺(tái)控制器發(fā)送遵循PELC0_D及其自定義擴(kuò)展指 令 。
[0035] 所述圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)用基于梯度的結(jié)構(gòu)相似度算法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像與參考圖像的 評(píng)價(jià)。
[0036] 一種水下云臺(tái)自動(dòng)清潔的系統(tǒng)，包括：
[0037] 陸地工控機(jī)，通過(guò)232總線，經(jīng)由以太網(wǎng)/232信號(hào)轉(zhuǎn)換裝置，光電轉(zhuǎn)換裝置，再經(jīng) 過(guò)485總線，與云臺(tái)控制器相連，用于接收云臺(tái)控制器發(fā)送的控制命令和云臺(tái)狀態(tài)實(shí)時(shí)值 的反饋；
[0038] 云臺(tái)控制器，通過(guò)232總線與水下攝像機(jī)連接，用于調(diào)節(jié)水下攝像機(jī)的焦距、倍 數(shù)；
[0039] 水下攝像機(jī)，通過(guò)數(shù)字/以太網(wǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換裝置，再通過(guò)視頻數(shù)據(jù) 線與陸地工控機(jī)相連，用于實(shí)現(xiàn)拍攝圖像的上傳。
[0040] 所述云臺(tái)控制器采用陶瓷晶振替代金屬殼的石英晶振，選用鉭電容代替貼片鋁電 解電容。
[0041] 所述云臺(tái)控制器包括：
[0042] 低功耗單片機(jī)，連接角度采集電路、485通訊電路、232通訊電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、 過(guò)流保護(hù)電路、照明驅(qū)動(dòng)電路、電源電路和復(fù)位電路連接；
[0043] 角度采集電路，輸入端與反映角度的同軸電位器相連，將角度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)， 輸出端與低功耗單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換引腳相連，用于采集云臺(tái)的角度；
[0044] 485通訊電路，數(shù)據(jù)收發(fā)端與低功耗單片機(jī)相連，A/B差分端與485總線相連，實(shí)現(xiàn) 與陸地工控機(jī)的通訊；
[0045] 232通訊電路，一端與低功耗單片機(jī)相連，一端與水下攝像機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)焦 距與倍數(shù)的調(diào)節(jié)；
[0046] 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，輸入端與低功耗單片機(jī)相連，輸出端分別連接堅(jiān)直、水平運(yùn)動(dòng)電機(jī) 和清潔刷電機(jī)；
[0047] 過(guò)流保護(hù)電路，輸入端與電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片電流檢測(cè)引腳相連，輸出端與低功耗單片 機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換相連，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換獲取各組電機(jī)電流的實(shí)時(shí)值；
[0048] 照明驅(qū)動(dòng)電路，輸入端與低功耗單片機(jī)的PWM信號(hào)發(fā)生引腳相連，輸出端與24V水 下照明燈相連，通過(guò)PWM調(diào)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的亮度調(diào)節(jié)；
[0049] 電源電路，包括，24V轉(zhuǎn)5V電路，5V轉(zhuǎn)3. 3V電路，A/D轉(zhuǎn)換電壓基準(zhǔn)源電路，隔離 電源電路；
[0050] 復(fù)位電路，輸入端與3. 3V電源相連，輸出端與低功耗單片機(jī)相連，用于在電源電 路異常時(shí)低功耗單片機(jī)的復(fù)位。
[0051] 所述的24V轉(zhuǎn)5V輸入端與外接24電源引線相連，輸出端與所述的5V轉(zhuǎn)3. 3V電 路，為云臺(tái)控制器，隔離電源提供電能；
[0052] 所述的5V轉(zhuǎn)3. 3V電路輸入端與5V電源相連，輸出端與所述的低功耗單片機(jī)相 連，為低功耗單片機(jī)供電；
[0053] 所述A/D轉(zhuǎn)換電壓基準(zhǔn)源電路，輸入端與3. 3V電源相連，輸出端與所述的低功耗 單片機(jī)，電位器相連，為低功耗單片機(jī)提供片外A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓，為電位器提供電能；
[0054] 所述隔離電源輸入端與5V電源相連，輸入端與485通訊芯片的電源VDD2相連。
[0055] 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：
[0056] 1、本發(fā)明利用工控機(jī)對(duì)圖像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)圖像質(zhì)量，自動(dòng)判斷鏡頭是否需 要清潔，并進(jìn)行相應(yīng)操作