專利名稱：水下立體視頻監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于物質(zhì)或物體的探測領(lǐng)域，具體涉及一種水下立體視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的從事水下監(jiān)控或勘查作業(yè)人員都希望對探查對象有最真切的目視觀察與記錄，水下電視提供了其他方法、資料無法提供的信息。自80年代起國內(nèi)外研制了各種水下電視，但是均為單目電視，觀察者獲得的圖像是三維空間在攝像機成像平面上的射影，也就是二維圖像。射影變換過程中丟失了大量有價值的空間信息。因而無法據(jù)此度量拍攝到的物體的幾何尺寸，更不用說鏡頭到物體的精確距離。在視頻監(jiān)控用于指導設(shè)備的移動，抓取樣品時，目標物到鏡頭的精確距離和目標物的幾何尺寸是至關(guān)重要的。但是迄今為止尚沒有保留和獲取三維空間信息的水下視頻拖曳式監(jiān)控技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述缺陷，本發(fā)明提供了一種水下立體視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使監(jiān)控者有猶如親歷水下的目視感受，滿足水下機械手操作等必須獲得距離、目標物大小尺寸、形狀等空間信息的水下勘查領(lǐng)域的實時監(jiān)控的要求。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種水下立體視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其包括甲板視頻顯示子系統(tǒng)；其改進之處在于，所述監(jiān)控系統(tǒng)包括與所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)通過萬米銅芯同軸電纜連接的水下立體視頻探測子系統(tǒng)。本發(fā)明提供的優(yōu)選技術(shù)方案中，所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)包括立體視監(jiān)控操作臺和分頻器I;所述立體視監(jiān)控操作臺通過所述分頻器I向所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)發(fā)送動作執(zhí)行控制指令并接收其傳輸?shù)囊曨l信號，同時完成從所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)向所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)提供電能。本發(fā)明提供的第二優(yōu)選技術(shù)方案中，所述立體視監(jiān)控操作臺包括船上監(jiān)控單元以及分別與其連接的測量模塊、存儲模塊和供電模塊；所述監(jiān)控單元用于觀察從所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)上傳的視頻數(shù)據(jù)；所述測量模塊對接收到的視頻數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和處理；所述存儲模塊對視頻數(shù)據(jù)進行存儲；所述供電模塊為通過所述分頻器I向所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)提供300VDC，2A電能。本發(fā)明提供的第三優(yōu)選技術(shù)方案中，所述存儲模塊是磁盤。本發(fā)明提供的第四優(yōu)選技術(shù)方案中，所述供電模塊為交流轉(zhuǎn)直流電源。本發(fā)明提供的第五優(yōu)選技術(shù)方案中，所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)包括視頻采集單元和向其傳輸視頻信號的立體視頻攝像單元。本發(fā)明提供的第六優(yōu)選技術(shù)方案中，所述視頻采集單元包括耐壓艙和設(shè)在其內(nèi)部的視頻采集模塊、分頻器2和I/O控制器；所述視頻采集模塊通過所述分頻器2向所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)傳輸視頻信號并采用高低通濾波分離出供電電能；所述視頻采集模塊和所述I/O控制器分別與所述立體視頻攝像單元連接；所述視頻采集模塊和所述I/O控制器連接。本發(fā)明提供的第七優(yōu)選技術(shù)方案中，所述立體視頻攝像單元，包括閃光燈、雙目攝像頭單元和高度計；所述照相機、所述閃光燈、所述雙目攝像頭單元和所述高度計分別通過所述I/o控制器獲得所述立體視監(jiān)控操作臺的動作執(zhí)行控制指令；所述雙目攝像頭單元、所述照相機和所述高度計分別與所述視頻采集模塊連接進行視頻數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明提供的第八優(yōu)選技術(shù)方案中，所述照相機為水下數(shù)字照相機，所述照相機的分辨率為2048 X 1680像素。本發(fā)明提供的第九優(yōu)選技術(shù)方案中，所述閃光燈為耐高壓水密鹵素燈。本發(fā)明提供的第十優(yōu)選技術(shù)方案中，所述閃光燈為LED燈。本發(fā)明提供的較優(yōu)選技術(shù)方案中，所述高度計是用于測量所述水下立體視頻探測 子系統(tǒng)與海底距離的聲學或光學探測器。本發(fā)明提供的第二較優(yōu)選技術(shù)方案中，所述雙目攝像頭單元包括支架和設(shè)置于其上的兩個定焦攝像頭(A，B);所述定焦攝像頭(A)與所述定焦攝像頭(B)分別通過一路視頻傳輸線路向所述視頻采集模塊傳輸視頻信號。本發(fā)明提供的第三較優(yōu)選技術(shù)方案中，所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)集成于一個滿足流體動力學的拖曳航行的拖體上；所述拖體的最大工作水深6000米，抗圍壓60MPa。本發(fā)明提供的第四較優(yōu)選技術(shù)方案中，所述兩個定焦攝像頭(A，B)并排設(shè)置于所述支架上；所述支架為鈦合金支架。本發(fā)明提供的第五較優(yōu)選技術(shù)方案中，所述定焦攝像頭(A)的坐標系為0ΧΥΖ，所述定焦攝像頭⑶的坐標系為O’ V Y’ V ;坐標系O’ V Y’ V的V軸、Y’軸和V軸分別平行于坐標系OXYZ的X軸、Y軸和Z軸；光心O到光心O’的平移矢量記作(dx，dy, dz);其中，光心O到O’的平移矢量dx和dz小于1mm, dy為80mm。本發(fā)明提供的第六較優(yōu)選技術(shù)方案中，所述支架設(shè)置有所述定焦攝像頭(A，B)平行度的微調(diào)裝置；其中，調(diào)節(jié)范圍±3'，調(diào)節(jié)步長10"。本發(fā)明提供的第七較優(yōu)選技術(shù)方案中，所述視頻傳輸線路采用TCP/IP通信協(xié)議和帶寬100M的以太網(wǎng)對視頻數(shù)據(jù)進行傳輸。本發(fā)明提供的第八較優(yōu)選技術(shù)方案中，所述視頻采集模塊控制所述閃光燈，完成照明的同時在等間隔時間內(nèi)對兩路視頻信號加同步標記，用于三維海底微地形重建的像對匹配參考。本發(fā)明提供的第九較優(yōu)選技術(shù)方案中，所述等間隔時間為7秒。本發(fā)明提供的第十較優(yōu)選技術(shù)方案中，所述雙目攝像頭單元的尺寸如下長190mm ;寬 27mm ;高 160mm。與現(xiàn)有技術(shù)比，本發(fā)明提供的一種水下立體視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在識別調(diào)查作業(yè)區(qū)礦物類型、圈定勘查目標分布范圍以及計算覆蓋率等方面都起了關(guān)鍵作用。雙目立體攝像技術(shù)和計算機雙目立體視圖像三維重建技術(shù)，量測海底目標的幾何尺寸達到厘米級。為研究海底微地形地貌，海底礦產(chǎn)資源、生物資源提供了新的手段。該項技術(shù)用途十分廣泛，除應(yīng)用于海底礦產(chǎn)資源勘查工作方面外，還可以用來進行水下建筑物的可視化調(diào)查與監(jiān)測，可廣泛應(yīng)用于水下工程、海洋油氣調(diào)查與開采、航運與水下考古等領(lǐng)域，有廣闊的應(yīng)用前景。


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I為水下立體視頻監(jiān)控系統(tǒng)的示意圖。
2為甲板視頻顯示子系統(tǒng)的示意圖。
3為立體視監(jiān)控操作臺的示意圖。
4為水下立體視頻探測子系統(tǒng)的示意圖。5為雙目攝像頭坐標系定乂圖。
6為平視雙目立體成像原理圖。
7為雙目攝像頭的不意圖。
具體實施例方式如圖I所示，一種水下立體視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其包括甲板視頻顯示子系統(tǒng)；其特征在于，所述監(jiān)控系統(tǒng)包括與所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)通過銅芯同軸電纜連接的水下立體視頻探測子系統(tǒng)。如圖2、3所示，所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)包括立體視監(jiān)控操作臺和分頻器I ;所述立體視監(jiān)控操作臺通過所述分頻器I接收所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)傳輸?shù)囊曨l信號。所述立體視監(jiān)控操作臺包括船上監(jiān)控單元以及分別與其連接的測量模塊和存儲模塊；所述監(jiān)控單元用于觀察從所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)上傳的視頻數(shù)據(jù)；所述測量模塊對接收到的視頻數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和處理；所述存儲模塊對視頻數(shù)據(jù)進行存儲。所述存儲模塊是磁盤或者磁盤。如圖4所示，所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)包括視頻采集單元和向其傳輸視頻信號的立體視頻攝像單元。所述視頻采集單元包括耐壓艙和設(shè)在其內(nèi)部的視頻采集模塊、分頻器2和I/O控制器；所述視頻采集模塊通過所述分頻器2向所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)傳輸視頻信號；所述視頻采集模塊和所述I/O控制器分別與所述立體視頻攝像單元連接；所述視頻采集模塊和所述I/O控制器連接。所述立體視頻攝像單元，包括照相機、閃光燈、雙目攝像頭單元和高度計；所述照相機和所述閃光燈分別通過所述I/O控制器向所述視頻采集模塊傳輸視頻數(shù)據(jù)；所述雙目攝像頭單元和所述高度計分別與所述視頻采集模塊連接。所述照相機為水下數(shù)字照相機，所述照相機的分辨率為2048 X 1680像素。所述閃光燈為耐高壓水密鹵素燈或者LED燈。所述高度計是用于測量所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)與海底距離的聲學或光學探測器。如圖7所示，所述雙目攝像頭單元包括支架和設(shè)置于其上的兩個定焦攝像頭(A，B);所述定焦攝像頭(A)與所述定焦攝像頭(B)分別通過一路視頻傳輸線路向所述視頻采集模塊傳輸視頻信號。所述兩個定焦攝像頭(A，B)并排設(shè)置于所述支架上；所述支架為鈦合金支架。如圖5所示,所述定焦攝像頭(A)的坐標系為0ΧΥΖ,所述定焦攝像頭(B)的坐標系為O’ V Y’ V;坐標系O’ V Y’ V的V軸、Y’軸和V軸分別平行于坐標系OXYZ的X軸、Y軸和Z軸；光心O到光心O’的平移矢量記作(dx，dy, dz);其中，光心O到O’的平移矢量dx和dz小于1mm, dy為80mm。所述支架設(shè)置有所述定焦攝像頭(Α,Β)平行度的微調(diào)裝置；其中，調(diào)節(jié)范圍±3'，調(diào)節(jié)步長10"。所述視頻傳輸線路采用TCP/IP通信協(xié)議和帶寬IOOM的以太網(wǎng)對視頻數(shù)據(jù)進行傳輸。所述視頻采集模塊控制所述閃光燈，在等間隔時間內(nèi)對兩路視頻信號加同步標記，其中，所述等間隔時間為7秒。所述雙目攝像頭單元的尺寸如下長190mm ;寬27mm ;高160mm。用鈦合金制作安裝支架將兩個定焦攝像頭配對組成雙目攝像頭，并密封于抗60MPa壓力的耐壓桶內(nèi)。左右攝像頭的視角相等，差值小于1%。攝象機坐標系相平行，即定義左攝象機坐標系0ΧΥΖ，右攝象機坐標系，O’ X’ Y’ Z’，光心O到O’的平移矢量記作(dx，dy, dz)。見圖 5。兩個坐標系平行即X’、Y’、Z’軸分別平行于X、Y、Z軸。要求其夾角不大于10"(秒)。光心O到O’的平移矢量。要求dx、dz < 1mm。dy為80mm。O，V Y，V 相對 OXYZ 的旋轉(zhuǎn)矩陣 R，R = (Rij)，i，j = 1，2，3，Rij 分別是 X’、Y’、
V軸與X、Y、Z軸夾角的余弦。支架有光軸平行度的微調(diào)裝置，調(diào)節(jié)范圍±3'，調(diào)節(jié)步長10"。攝像機系統(tǒng)耐壓60MPa (工作水深6000m。)，抗海水腐蝕。(2)兩路視頻傳輸線路為了實現(xiàn)立體視覺監(jiān)控并重建海底三維微地形，兩路視頻數(shù)據(jù)實時由水下攝像單元向船上監(jiān)控單元同步傳輸是首要條件。本系統(tǒng)采用高速處理DSP芯片，采用關(guān)鍵幀自動匹配的方法，實現(xiàn)左右兩路視頻同步，保證兩路視頻以匹配像對的形式傳輸?shù)郊装灞O(jiān)控操作臺。通信協(xié)議采用TCP/IP，帶寬100M以太網(wǎng)實現(xiàn)。為了確保視頻圖像計算機三維重建的像對匹配準確，本系統(tǒng)在視頻像對上利用水下照相機的閃光燈，在等間隔時間內(nèi)(10秒)加同步標記。(3) 一個立體視監(jiān)控操作臺立體視監(jiān)控操作臺，其特征在于接收并立體顯示雙目立體視攝像頭采集到的左右圖像。通過立體眼鏡使監(jiān)控者左右眼分別看到左右圖像，從而產(chǎn)生立體的視頻感受。同時記錄左右兩路連續(xù)視頻圖像在磁盤或磁帶上，可供以后回放并為通過攝像圖像重建三維海底微地形提供數(shù)據(jù)。(4)基于雙目視覺的3D重建技術(shù)實現(xiàn)雙目立體視覺原理雙目視覺是機器視覺的一種重要形式，它是基于視差原理并由多幅圖像獲取物體三維幾何信息的方法。本系統(tǒng)采用雙目立體攝像機連續(xù)對水下目標物拍攝，利用科考船沿測線拖曳行進(速度為2海里/小時左右)，獲得同一目標物的不同角度的多幅數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，采用基于視差原理恢復出物體的三維幾何信息，從而重建物體三維輪廓及位置，并可度量目標物大小尺寸。雙目立體視覺三維測量是基于視差原理，圖6所示為簡單的平視雙目立體成像原理圖，兩攝像機的投影中心的連線的距離，即基線距為b。攝像機坐標系的原點在攝像機的光心處。左右圖像坐標系的原點在攝像機光軸與平面的交點O1和O2。空間中某點P在左圖像和右圖像中相應(yīng)的坐標分別為P1 (U1, V1)和己(1!2，％)。假定兩攝像機的圖像在同一個平面上，則點P圖像坐標的Y坐標相同，即V1 = v2。由三角幾何關(guān)系得到如下公式；
權(quán)利要求
1.一種水下立體視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其包括甲板視頻顯示子系統(tǒng)；其特征在于，所述監(jiān)控系統(tǒng)包括與所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)通過萬米銅芯同軸電纜連接的水下立體視頻探測子系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)包括立體視監(jiān)控操作臺和分頻器I ;所述立體視監(jiān)控操作臺通過所述分頻器I向所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)發(fā)送動作執(zhí)行控制指令并接收其傳輸?shù)囊曨l信號，同時完成從所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)向所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)提供電能。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述立體視監(jiān)控操作臺包括船上監(jiān)控單元以及分別與其連接的測量模塊、存儲模塊和供電模塊；所述監(jiān)控單元用于觀察從所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)上傳的視頻數(shù)據(jù)；所述測量模塊對接收到的視頻數(shù)據(jù)進行監(jiān)測和處理；所述存儲模塊對視頻數(shù)據(jù)進行存儲；所述供電模塊為通過所述分頻器I向所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)提供300VDC，2A電能。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述存儲模塊是磁盤。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述供電模塊為交流轉(zhuǎn)直流電源。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)包括視頻采集單元和向其傳輸視頻信號的立體視頻攝像單元。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述視頻采集單元包括耐壓艙和設(shè)在其內(nèi)部的視頻采集模塊、分頻器2和I/O控制器；所述視頻采集模塊通過所述分頻器2向所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)傳輸視頻信號并采用高低通濾波分離出供電電能；所述視頻采集模塊和所述I/O控制器分別與所述立體視頻攝像單元連接；所述視頻采集模塊和所述I/O控制器連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述立體視頻攝像單元，包括閃光燈、雙目攝像頭單元和高度計；所述照相機、所述閃光燈、所述雙目攝像頭單元和所述高度計分別通過所述I/O控制器獲得所述立體視監(jiān)控操作臺的動作執(zhí)行控制指令；所述雙目攝像頭單元、所述照相機和所述高度計分別與所述視頻采集模塊連接進行視頻數(shù)據(jù)傳輸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述照相機為水下數(shù)字照相機，所述照相機的分辨率為2048X 1680像素。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述閃光燈為耐高壓水密鹵素燈。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述閃光燈為LED燈。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述高度計是用于測量所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)與海底距離的聲學或光學探測器。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述雙目攝像頭單元包括支架和設(shè)置于其上的兩個定焦攝像頭(A，B);所述定焦攝像頭(A)與所述定焦攝像頭(B)分別通過一路視頻傳輸線路向所述視頻采集模塊傳輸視頻信號。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述水下立體視頻探測子系統(tǒng)集成于一個滿足流體動力學的拖曳航行的拖體上；所述拖體的最大工作水深6000米，抗圍壓60MPa。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述兩個定焦攝像頭(A，B)并排設(shè)置于所述支架上；所述支架為鈦合金支架。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述定焦攝像頭(A)的坐標系為OXYZ，所述定焦攝像頭⑶的坐標系為O’ V Y’ V ;坐標系O’ V Y’ V的V軸、Y’軸和V軸分別平行于坐標系OXYZ的X軸、Y軸和Z軸；光心O到光心O’的平移矢量記作(dx，dy，dz);其中，光心O到O’的平移矢量dx和dz小于1mm, dy為80mm。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述支架設(shè)置有所述定焦攝像頭(A，B)平行度的微調(diào)裝置；其中，調(diào)節(jié)范圍±3'，調(diào)節(jié)步長10"。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述視頻傳輸線路采用TCP/IP通信協(xié)議和帶寬100M的以太網(wǎng)對視頻數(shù)據(jù)進行傳輸。
19.根據(jù)權(quán)利要求8、13所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述視頻采集模塊控制所述閃光燈，完成照明的同時在等間隔時間內(nèi)對兩路視頻信號加同步標記，用于三維海底微地形重建的像對匹配參考。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述等間隔時間為7秒。
21.根據(jù)權(quán)利要求8所述的監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，所述雙目攝像頭單元的尺寸如下長 190mm ;寬 27mm ;高 160mm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種水下立體視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其包括甲板視頻顯示子系統(tǒng)；與所述甲板視頻顯示子系統(tǒng)通過萬米銅芯同軸電纜連接的水下立體視頻探測子系統(tǒng)；所示水下立體視頻探測子系統(tǒng)設(shè)置有雙目立體攝像頭；本發(fā)明提供的水下立體視頻監(jiān)控系統(tǒng)，使監(jiān)控者有猶如親歷水下的目視感受，滿足水下機械手操作等必須獲得深度等空間信息的水下勘查領(lǐng)域的實時監(jiān)控的要求。
文檔編號H04N13/00GK102917206SQ201210392899
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月16日
發(fā)明者顧玉民, 趙金花, 李云達, 高磊, 陶軍, 吳宣志, 楊麗娟, 張凱 申請人:中國地質(zhì)科學院礦產(chǎn)資源研究所