專利名稱：用于船舶水尺圖像拍攝的爬壁機器人、系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及船舶水尺圖像拍攝方法，具體地，涉及一種利用雙臂爬壁機器人實現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝的方法。
背景技術：
隨著船舶載重量和相關狀態(tài)參數(shù)自動計量系統(tǒng)中應用圖像處理技術，在船舶水尺圖像的采集過程中不受外界環(huán)境影響，獲得真正反映水尺數(shù)據(jù)的圖像就為整個計量系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了原始數(shù)據(jù)。因此水尺圖像的精準度對提高計量系統(tǒng)的精度具有重要的理論意義和應用價值。目前現(xiàn)有計量系統(tǒng)中的圖像處理過程都著重強調(diào)了水線的檢測與倒影細節(jié)處理等二維圖像處理的重點，但忽略了船舶形狀對水尺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，而這些因素直接關系到水尺數(shù)據(jù)的準確性。通過研·究發(fā)現(xiàn)獲取場景的立體信息可以降低上述因素對檢測精度的影響，而獲得立體信息最通用的方法是利用雙目立體視覺理論在不同視點上或不同時間拍攝的兩幅或多幅圖像提供的信息來獲取立體信息?；谒邎D像采集環(huán)境的特殊性，如何獲得同一場景的左右視圖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單機法和雙機法兩大類。單機法是用一架相機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；雙機法是將兩架相機放在同一水平線上，同時曝光便可。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。目前采集船舶水尺圖像主要分兩步進行在船舶的港口側(cè)采集船舶首中尾三面水尺圖像；在船舶的海水側(cè)，則將圖像采集裝置放在小船上采集船舶三面水尺圖像。由于采集用小船易受到海水波浪的影響，圖像采集裝置處于非平穩(wěn)狀態(tài)，水尺圖像可能會受到各種噪聲影響出現(xiàn)退化現(xiàn)象，因此水尺圖像的真實性就降低了，增加了后續(xù)處理的復雜度，各種不可預料的因素都可能會使測量結(jié)果出現(xiàn)錯誤。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供能夠提高水尺圖像真實性的用于船舶水尺圖像拍攝的爬壁機器人、系統(tǒng)以及方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一個方面提供一種用于船舶水尺圖像拍攝的爬壁機器人，該機器人包括主體，其中，該機器人還包括設置在該主體上的機械臂，該機械臂用于安裝攝像機，其中該機械臂的長度、該機械臂與主體之間的角度以及該機械臂與攝像機之間的角度是可調(diào)節(jié)的。本發(fā)明的另一個方面提供一種用于船舶水尺圖像拍攝的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括所述的爬壁機器人；設置在該爬壁機器人的機械臂上的攝像機；以及遠程控制端，該遠程控制端用于控制該爬壁機器人的移動，調(diào)節(jié)機械臂的長度、機械臂與主體之間的角度以及該機械臂與攝像機之間的角度，接收并顯示所述攝像機拍攝的圖像。
本發(fā)明的還一個方面提供一種船舶水尺圖像拍攝方法，該方法包括通過控制所述的爬壁機器人的移動來調(diào)整攝像機的視場，使得該視場中包含水尺字符和水面區(qū)域；以及在調(diào)整后的視場下，拍攝并存儲圖像。通過上述技術方案，利用爬壁機器人作為攝像機的載體，而爬壁機器人在船舶外殼上移動，當進行拍攝時，機器人與船舶相對保持靜止。因此，即便船舶由于風浪晃動，拍攝水尺圖像也不會受到影響，保證了采集的水尺圖像的真實性。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的具體實施方式
部分予以詳細說明。


附圖是用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實施方式
一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中圖I為本發(fā)明的水尺圖像拍攝方法的示意流程·
圖2為本發(fā)明的水尺圖像拍攝所采用的爬壁機器人的示意圖；圖3為改變基線長度時攝像機光軸角度調(diào)整示意圖；圖4a和4b分別為視場范圍只有船舶表面時的圖像與直方圖；圖5a和5b分別為視場范圍包括船舶表面和水面區(qū)域時的圖像與直方圖；以及圖6為利用本發(fā)明的實施方式的方法采集的規(guī)范化的水尺左右視圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式
僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，提供了一種用于船舶水尺圖像拍攝的爬壁機器人，該機器人包括主體，其中，該機器人還包括設置在該主體上的機械臂，該機械臂用于安裝攝像機，其中該機械臂的長度、該機械臂與主體之間的角度以及該機械臂與攝像機之間的角度是可調(diào)節(jié)的。該爬壁機器人的主體可以為本領域技術人員所知，一般可以包括行走機構(gòu)，行走機構(gòu)必須具備吸附和移動兩個基本功能，常見的吸附方式有負壓吸附和永磁吸附兩種。其中負壓方式可以通過吸盤內(nèi)產(chǎn)生負壓而吸附于壁面上，不受壁面材料的限制；永磁吸附方式則有永磁體和電磁鐵兩種方式，只適用于吸附導磁性壁面。機械臂可以是可升縮式的，可以例如通過絲桿或液壓油缸來實現(xiàn)機械臂的伸縮。機械臂與機器人主體之間的角度也是可調(diào)節(jié)的。此外，機械臂與安裝在其一端的攝像機之間的角度也是可調(diào)節(jié)的。例如，機械臂上可以設置有球關節(jié)連接件，機械臂可以通過該球關節(jié)連接件與攝像機連接。攝像機與機械臂之間的角度的調(diào)節(jié)可以通過電機來實現(xiàn)。機械臂與主體之間的角度的調(diào)節(jié)也可以如此實現(xiàn)?？商鎿Q地，機械臂與主體之間也可以是樞軸連接。圖2示出了這樣一種爬壁機器人的示意圖。如圖2所示，附圖標記I表示機器人主體,2表示攝像機,3表示船舶外表面,主體與攝像機之間的直線4表示機械臂，點劃線5表示水面，“)I”表示機械臂與主體I之間的角度，“)2”表示攝像機與機械臂之間的角度，“ )3 ”表示攝像機的垂直視角，虛線(I)表示攝像機的光軸，虛線(2 )表示機器人主體位置的切平面。在采用雙機法的實施方式中，需要用到兩個攝像頭。因此，在一個實施方式中，機械臂可以包括左臂和右臂，該左臂和右臂用于分別安裝一攝像機；以及該左臂和右臂能夠?qū)ΨQ地伸縮。本領域技術人員可以理解，這里所說的對稱地伸縮是指當左臂伸長或縮短某個長度時，右臂同時相對伸長或縮短該長度。左臂和右臂的結(jié)構(gòu)和形狀可以是本領域技術人員可以想到的任意的結(jié)構(gòu)和形狀，只要能夠保證攝像頭的鏡頭能夠?qū)Υ巴鈿みM行拍攝且兩個攝像頭之間的距離(基線長度)可調(diào)節(jié)。機器人的行走、機械臂的伸縮、機械臂與主體之間角度以及機械臂與攝像頭之間的角度等可以通過將在下面描述的遠程控制端來控制。在本發(fā)明的另一個實施方式中，提供了一種用于船舶水尺圖像拍攝的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以包括
·
上述的爬壁機器人；設置在該爬壁機器人的機械臂上的攝像機；以及遠程控制端，該遠程控制端用于控制該爬壁機器人的移動，調(diào)節(jié)機械臂的長度、機械臂與主體之間的角度以及該機械臂與攝像機之間的角度，接收并顯示所述攝像機拍攝的圖像。遠程控制端可以與機器人和攝像機進行有線或無線通信，并可以包括輸入設備、顯示設備、處理設備等。輸入設備例如可以包括鼠標、鍵盤、操作桿等，用于輸入用戶指令。顯示設備可以用于顯示攝像機拍攝的圖像。處理設備可以包括但不限于，單片機、處理器、微處理器、DSP芯片、PLC控制器、FPGA電路、集成電路以及狀態(tài)機等。 遠程控制端還可以包括存儲設備，用于存儲指令、參數(shù)或攝像機拍攝的圖像等。下面描述根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的利用爬壁機器人進行船舶水尺圖像拍攝的方法。如圖I所示，根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，提供了一種船舶水尺圖像拍攝方法，該方法可以包括通過控制爬壁機器人的移動來調(diào)整攝像機的視場，使得該視場中包含水尺字符和水面區(qū)域；以及在調(diào)整后的視場下，拍攝并存儲圖像。利用爬壁機器人作為攝像機的載體，在采集水尺圖像時，攝像機與船舶外殼保持相對靜止，這樣即使船舶由于波浪晃動，也不會影響水尺圖像的采集。該方法可以用于單機法，也可以用于雙機法。由于單機法只能先后獲得左右視圖，外界因素可能在此期間發(fā)生變化，使得圖像對的參數(shù)前后不一致，增加了圖像立體化的復雜性，因此優(yōu)選地可以采用雙機法。如果采用雙機法，爬壁機器人可以包括左臂和右臂，在該左臂和右臂上分別安裝有左攝像機和右攝像機，所述拍攝并存儲圖像包括拍攝并存儲左右視圖對。其中，調(diào)整攝像機的視場可以包括在所述水尺字符進入到所述視場后，所述爬壁機器人自動調(diào)節(jié)其位置，直到水尺字符位于所述視場的中間位置。具體來說，操作者可以通過上述遠程控制端(例如通過其操作桿)控制爬壁機器人沿著船舶外殼向水尺字符移動。攝像機實時進行拍攝，并將拍攝到的圖像傳送給遠程控制端，遠程控制端可以例如在其顯示設備上顯示該圖像。當操作者觀察到圖像中出現(xiàn)水尺字符時，可以選擇以下操作中的一種。第一種操作是操作者可以繼續(xù)控制機器人慢速移動，使水尺字符位于或接近圖像的中間位置。第二種操作是操作者停止控制機器人，將機器人切換到自動調(diào)節(jié)狀態(tài)。這種操作需要給機器人預先設置程序，機器人根據(jù)該程序自動移動，使水尺字符位于或接近圖像的中間位置。之后，檢測視場中是否包含水面區(qū)域，如果檢測到視場 中不包含水面區(qū)域，則所述爬壁機器人向下移動，直到視場中包含水面區(qū)域。在調(diào)整完水尺字符在圖像中的位置后，需要圖像中包含水面區(qū)域。檢測所述視場中是否包含水面區(qū)域可以通過圖像直方圖來實現(xiàn)，即定期繪制所述攝像機拍攝的上一幀圖像的直方圖，并對直方圖的最高等峰值的個數(shù)進行檢測；以及當?shù)确逯档膫€數(shù)只有一個時，所述爬壁機器人自動垂直向下移動，直到直方圖中出現(xiàn)兩個等峰值。對直方圖中最高等峰的檢測可以采用本領域公知的方法，這里不再贅述。圖4和圖5示出了水尺圖像及其對應的直方圖。圖中，直方圖的橫坐標是圖像灰度值，縱坐標是各像素點灰度值統(tǒng)計數(shù)。如圖4a和4b所示，圖4a中的圖像中只有水尺字符，沒有包含水面區(qū)域，其對應的直方圖(圖4b)中只有一個最高等峰值。而圖5a中的圖像既包含水尺字符又包含水面區(qū)域，因此其對應的直方圖(圖5b)包含兩個等峰值。通過對直方圖的檢測，可以得到粗略的目標圖像。為了使后續(xù)的處理更加簡便，需要對目標圖像規(guī)范化。可以采用邊緣檢測來確定水面區(qū)域的水線位置。例如，在所述直方圖中出現(xiàn)兩個等峰值之后，可以利用彩色圖像分割檢測水面區(qū)域的水線位置，所述爬壁機器人根據(jù)水線位置垂直移動，直至該水線位于圖像的下三分之一處。上述機器人根據(jù)直方圖檢測向下移動以及根據(jù)水線位置垂直移動可以是機器人根據(jù)預定程序自動執(zhí)行的。當然，這也可以通過操作者根據(jù)遠程控制端的顯示設備顯示的圖像手動操作機器人的移動來完成。 另外，還可以改變基線長度進行拍攝。在本發(fā)明的一個實施方式中，該方法還可以包括獲得物距信息；通過伸縮所述左臂和右臂來改變基線長度，所述基線為所述左攝像機和右攝像機之間的距離；根據(jù)所述基線長度和物距分別調(diào)整左攝像機的光軸與左臂之間的角度以及右攝像機的光軸與右臂之間的角度，以使攝像機的視場與基線長度改變之前的視場保持一致；以及在改變后的基線長度下，拍攝并存儲左右視圖對?；€長度的改變可以通過軟件程序來控制，這樣可以保證基線長度的準確性。
圖3示出了改變基線長度時攝像機的角度調(diào)節(jié)的示意圖。如圖3所示，左攝像機向左移動，右攝像機以相同的速度向右移動，需要被拍攝的目標點固定不變，且位于兩個攝像機的中線位置。攝像機的光軸與臂之間的調(diào)整角度可以通過物距和基線長度來確定。在不同基線長度下，采集同一場景的左右視圖對。由于對立體效果都是進行定性的評價，因此可以采用人眼觀察，在這些視圖對中找出立體效果最逼真的左右視圖對，并記錄該左右視圖對的對應基線長度。該被選定的左右視圖對可以被存儲用于之后的圖像立體化階段。圖6示出了采集的左右視圖對。本領域技術人員可以理解，執(zhí)行上述機器人自動調(diào)節(jié)例如其位置、基線長度、攝像機角度等功能的實體可以例如是遠程控制端的處理設備，或者可以是設置在機器人上的單獨的處理設備。由于立體拍攝模式直接影響立體拍攝左右視圖效果的好壞，出于便于標定且計算簡單，并采用廣角攝像機的考慮，可以采用會聚光軸的拍攝模式，即使兩個攝像機的光軸會聚來獲得左右視圖對。該模式不會因為攝像機的視場小而造成盲區(qū)或者因為視場大而造成圖像失真?！ご送猓诳刂茩C器人移動之前，可能還需要進行一些準備步驟，這些步驟例如包括確定機器人狀態(tài)是否良好，確保不會因船舶外表面的灰塵、鹽分等其他物質(zhì)而造成機器人吸附能力降低，從而使其置于危險狀態(tài)；預先設置機械臂長度、基線長度、機械臂與機器人主體之間的角度、攝像機與機械臂之間的角度等，并在整個移動過程中保持不變。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明提供的方案可以具有如下的至少一個優(yōu)點和效果由于水尺計量的結(jié)果受圖像采集過程、船舶形狀及水尺字符扭曲變形的影響，因此通過雙臂爬壁機器人實現(xiàn)船舶水尺圖像立體拍攝方法來獲得圖像的左右視圖對以便下一步進行立體化檢測船舶水尺是一個有效的方法。(I)在圖像特征提取過程中，總是希望提取出的特征絕對性盡量強，最大限度地不依賴提取場景特征時的條件和環(huán)境，就是不隨獲取場景圖像的視點不同而變化，同時減少圖像采集設備移動和光照等物理因素對所提取特征的影響。利用雙臂爬壁機器人實現(xiàn)船舶外水尺的立體成像方式提供了特征絕對性較強的原始圖像。(2)在對船舶水尺圖像進行采集的過程中，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，只能進行定性分析。利用雙臂爬壁機器人作為圖像采集裝置的載體，統(tǒng)一了圖像采集環(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。(3)利用雙臂爬壁機器人同時記錄左右視圖對，保證了圖像的精準度，避免了由于波浪造成前后場景的不一致。(4)獲得規(guī)范化的船舶水尺圖像，利用粗略的直方圖檢測與邊緣檢測結(jié)果使機器人調(diào)整攝像系統(tǒng)的視野區(qū)域，降低了后續(xù)圖像處理的復雜度。(5)用雙臂爬壁機器人實現(xiàn)船舶水尺立體成像方法操作過程簡單，容易實現(xiàn)，參數(shù)直觀，通過尋找立體效果最逼真的左右視圖對，有利于后續(xù)的立體化與圖像處理、分析與理解。
以上結(jié)合附圖詳細描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實施方式中的具體細節(jié)，在本發(fā)明的技術構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發(fā)明的保護范圍。另外需要說明的是，在上述具體實施方式
中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發(fā)明對各種可能的組合方式不再另行說明。此外，本發(fā)明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發(fā)明的思想，其同樣應當視為本發(fā)明所公開的內(nèi)容?！?br> 權利要求
1.一種用于船舶水尺圖像拍攝的爬壁機器人，該機器人包括主體，其特征在于，該機器人還包括設置在該主體上的機械臂，該機械臂用于安裝攝像機，其中該機械臂的長度、該機械臂與主體之間的角度以及該機械臂與攝像機之間的角度是可調(diào)節(jié)的。
2.根據(jù)權利要求I所述的機器人，其中，所述機械臂包括左臂和右臂，該左臂和右臂用于分別安裝一攝像機；以及 該左臂和右臂能夠?qū)ΨQ地伸縮。
3.一種用于船舶水尺圖像拍攝的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括 根據(jù)權利要求I或2所述的爬壁機器人； 設置在該爬壁機器人的機械臂上的攝像機；以及 遠程控制端，該遠程控制端用于控制該爬壁機器人的移動，調(diào)節(jié)機械臂的長度、機械臂與主體之間的角度以及該機械臂與攝像機之間的角度，接收并顯示所述攝像機拍攝的圖像。
4.一種船舶水尺圖像拍攝方法，該方法包括 通過控制權利要求I所述的爬壁機器人的移動來調(diào)整攝像機的視場，使得該視場中包含水尺字符和水面區(qū)域；以及 在調(diào)整后的視場下，拍攝并存儲圖像。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，所述爬壁機器人包括左臂和右臂，在該左臂和右臂上分別安裝有左攝像機和右攝像機，所述拍攝并存儲圖像包括拍攝并存儲左右視圖對。
6.根據(jù)權利要求5所述的方法，該方法還包括 獲得物距 目息； 通過伸縮所述左臂和右臂來改變基線長度，所述基線為所述左攝像機和右攝像機之間的距離； 根據(jù)所述基線長度和物距分別調(diào)整左攝像機的光軸與左臂之間的角度以及右攝像機的光軸與右臂之間的角度，以使攝像機的視場與基線長度改變之前的視場保持一致；以及在改變后的基線長度下，拍攝并存儲左右試圖對。
7.根據(jù)權利要求4所述的方法，其中，調(diào)整攝像機的視場包括 控制爬壁機器人沿著船舶外殼向水尺區(qū)域移動，直到水尺字符進入到攝像機的視場；檢測該視場中是否包含水面區(qū)域，如果檢測到視場中不包含水面區(qū)域，則所述爬壁機器人向下移動，直到視場中包含水面區(qū)域。
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其中，調(diào)整攝像機的視場還包括 在所述水尺字符進入到所述視場后，所述爬壁機器人自動調(diào)節(jié)其位置，直到水尺字符位于所述視場的中間位置。
9.根據(jù)權利要求7或8所述的方法，其中，檢測所述視場中是否包含水面區(qū)域包括 定期繪制所述攝像機拍攝的上一幀圖像的直方圖，并對直方圖的最高等峰值的個數(shù)進行檢測；以及 當?shù)确逯档膫€數(shù)只有一個時，所述爬壁機器人自動垂直向下移動，直到直方圖中出現(xiàn)兩個等峰值。
10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其中，調(diào)整攝像機的視場還包括 在所述直方圖中出現(xiàn)兩個等峰值之后，利用彩色圖像分割檢測水面區(qū)域的水線位置，所述爬壁機器人根據(jù)水線位置垂直移 動，直至該水線位于圖像的下三分之一處。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于船舶水尺圖像拍攝的爬壁機器人、系統(tǒng)以及方法，該方法包括通過控制爬壁機器人的移動來調(diào)整攝像機的視場，使得該視場中包含水尺字符和水面區(qū)域；以及在調(diào)整后的視場下，拍攝并存儲圖像。通過上述技術方案，利用爬壁機器人作為攝像機的載體，而爬壁機器人在船舶外殼上移動，當進行拍攝時，機器人與船舶相對保持靜止。因此，即便船舶由于風浪晃動，拍攝水尺圖像也不會受到影響，保證了采集的水尺圖像的真實性。
文檔編號B63B39/12GK102785719SQ20121027356
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月2日 優(yōu)先權日2012年8月2日
發(fā)明者劉宇, 吳青松, 張望, 張永紅, 張海昕, 楊明, 王萬耀, 王子乾, 秦宇, 許文海, 谷紅偉 申請人:中國神華能源股份有限公司, 北京神華昌運高技術配煤有限公司, 神華銷售集團有限公司