本發(fā)明屬于水下探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種自適應(yīng)水質(zhì)的水下相機(jī)標(biāo)定裝置。

背景技術(shù)：

水下探測(cè)使用相機(jī)拍攝水下物體，對(duì)物體進(jìn)行三維重建，獲得水下物體的尺寸、姿態(tài)的信息，繼而進(jìn)行深入的對(duì)水下環(huán)境的分析，水下相機(jī)拍攝提供了一種可靠的手段，讓人們能夠精確的對(duì)水下情況進(jìn)行探測(cè)和研究，因此是重要的水下探測(cè)手段。在進(jìn)行相機(jī)拍攝前，人們必須要對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，因?yàn)樵谌S物體投影到二維平面時(shí)我們無法確定對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的位置關(guān)系，標(biāo)定是確定空間物體表面某點(diǎn)的三維幾何位置與其在圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的相互關(guān)系。當(dāng)水下標(biāo)定完成之后，在同樣水質(zhì)情況下，就不需要再次對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，這些參數(shù)是固定的。

在相機(jī)標(biāo)定過程中，空氣中的標(biāo)定方法已經(jīng)非常完善，但是面對(duì)水下環(huán)境，相機(jī)在水中需要一個(gè)防水的防護(hù)罩。光從水中進(jìn)入到防護(hù)罩中，發(fā)生了從水到空氣的變化，光在兩種傳播介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)生折射。原有的空氣中對(duì)相機(jī)的張氏標(biāo)定方法需要在空氣中拍攝照片，來確定相機(jī)的內(nèi)參、外參以及投影矩陣。在水下情況時(shí)，因?yàn)榘l(fā)生折射投影矩陣發(fā)生變化，標(biāo)定方法也無法確定相機(jī)的內(nèi)參、外參，標(biāo)定結(jié)果就會(huì)造成巨大的偏差，無法進(jìn)行下一步的對(duì)圖片的處理工作。

如果此時(shí)針對(duì)光從水到空氣中的折射的情況，建立新的相機(jī)水下投影矩陣，在空氣中標(biāo)定得到相機(jī)的固有屬性內(nèi)部參數(shù)，采取不改變相機(jī)外參的方法，來重新對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定的話，就能夠做到對(duì)水下相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，再使用濾波減小誤差，就能精確的對(duì)水下相機(jī)標(biāo)定，通過加裝的電子設(shè)備讓相機(jī)能在不同水質(zhì)下進(jìn)行自動(dòng)的標(biāo)定，就能節(jié)省操作人員精力，降低成本，提高精確度、不需要設(shè)計(jì)不同環(huán)境下的標(biāo)定方法，提高了下一步圖像處理的準(zhǔn)確率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種自適應(yīng)水質(zhì)的水下相機(jī)標(biāo)定裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種自適應(yīng)水質(zhì)的水下相機(jī)標(biāo)定裝置，包括電源、處理器、電機(jī)、相機(jī)、標(biāo)定板、連接桿、水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊和電腦，其中：

所述電腦驅(qū)動(dòng)相機(jī)進(jìn)行拍攝，電腦還通過處理器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述電機(jī)通過連接桿驅(qū)動(dòng)標(biāo)定板相對(duì)于相機(jī)運(yùn)動(dòng)，所述處理器還與水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊通信；

所述電源連接處理器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，并為其供電。

進(jìn)一步的，所述處理器，用于接受電腦的操作指令后，發(fā)出指令控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行，從而帶動(dòng)連接桿，使得標(biāo)定板到達(dá)指定的位置，進(jìn)行水下標(biāo)定。

進(jìn)一步的，所述處理器通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步的，所述電源包括12v鋰電池和5v的模塊電源，5v模塊電源通過轉(zhuǎn)換器將12v鋰電池電壓轉(zhuǎn)為5v，其中12v為電機(jī)提供電源，5v為處理器提供電源。

進(jìn)一步的，所述相機(jī)外設(shè)置有防護(hù)罩。

進(jìn)一步的，所述處理器是型號(hào)為stm32f107的芯片；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為l298；電機(jī)是型號(hào)為42hs34-12d5-21-ip68的防水高精密步進(jìn)電機(jī)；相機(jī)是型號(hào)為cam01a的水下攝像機(jī)；水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊是型號(hào)為mpe400的多參數(shù)環(huán)境傳感器。

進(jìn)一步的，所述水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊，用于檢測(cè)當(dāng)前水域的水質(zhì)情況，包括當(dāng)前水域的電導(dǎo)率，溶解氧，orp，ph值，溫度，水位和壓力。

進(jìn)一步的，所述電腦，用于獲取和保存相機(jī)拍攝的圖片，還用于計(jì)算相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)。

進(jìn)一步的，計(jì)算相機(jī)標(biāo)定參數(shù)包括以下步驟：

步驟(1)、進(jìn)行空氣中標(biāo)定：相機(jī)在空氣中拍攝包含標(biāo)定板的圖片，計(jì)算出相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)以及每張照片對(duì)應(yīng)的外部參數(shù)，空氣中相機(jī)標(biāo)定方程為：

式(1)和(2)中a是相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣，b是相機(jī)的投影矩陣，相機(jī)的投影矩陣在水下環(huán)境會(huì)發(fā)生變化，c是相機(jī)的外部參數(shù)矩陣，其中：r表示旋轉(zhuǎn)變換，t表示平移變換；[uv1]^t是圖像的像素點(diǎn)齊次坐標(biāo)；u是像素的橫向坐標(biāo)，v是像素的縱向坐標(biāo)，u，v是圖像坐標(biāo)系，[xwywzw1]^t表示世界齊次坐標(biāo)，xw，yw，zw是世界坐標(biāo)系；(u0，v0)是圖像的中心坐標(biāo)；dy是圖像縱向方向單個(gè)像素的物理尺寸；dx是圖像橫向方向單個(gè)像素的物理尺寸；f是相機(jī)的焦距；電腦根據(jù)上述公式計(jì)算出內(nèi)部參數(shù)dx，dy，f，以及外部參數(shù)r和t；

步驟(2)、獲取水下的圖片：保持相機(jī)與標(biāo)定板最后一次拍攝圖片的位置，將相機(jī)放入水中，在水下拍攝m張圖片，m為預(yù)先設(shè)定的數(shù)目，將拍攝的圖片傳給電腦；在這個(gè)過程中，保證相機(jī)與標(biāo)定板的外部參數(shù)保持不變，相機(jī)與標(biāo)定板的位置關(guān)系，水中和空氣中均不變；位置關(guān)系包括距離，角度等，可以理解為兩者之間沒有發(fā)生任何變化；

步驟(3)、進(jìn)行水下標(biāo)定：根據(jù)得到拍攝后的水下圖片，繼續(xù)通過步驟(1)中的式(1)和式(2)，得到現(xiàn)在情況下相機(jī)的m組內(nèi)部參數(shù)；

步驟(4)、對(duì)進(jìn)行標(biāo)定的水下圖片進(jìn)行濾波；將測(cè)定的m組內(nèi)部參數(shù)按從大到小的順序排列，由可疑值與其相鄰值之差的絕對(duì)值除以極差，求得q值；

其中：x疑是所要判定的值，x鄰是要判定值得鄰近值，x最大是這些數(shù)值中最大的值，x最小是這些數(shù)值中最小的值；q值愈大，表明可疑值離群愈遠(yuǎn)；計(jì)算m張照片的q值，比較q值與預(yù)先設(shè)定的p值，p值為標(biāo)準(zhǔn)值，其中q值≥p值的舍去，在p值范圍內(nèi)的留下，最后留下m*張圖片；

步驟(5)、對(duì)剩下的m*張圖片處理，根據(jù)水下投影公式(4)，計(jì)算現(xiàn)在水下投影矩陣的結(jié)果；

式(4)為考慮到水下折射，推倒出的水下投影矩陣，n0＝nair/nwater,nwater是水的折射率，nair是空氣的折射率，xu，yu是成像點(diǎn)的物理二維坐標(biāo)；通過空氣中標(biāo)定，已經(jīng)獲得的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)、外部參數(shù)以及水下標(biāo)定之后的參數(shù)，可以將水下投影矩陣的參數(shù)求解出來，輸出水下投影矩陣參數(shù)；

步驟(6)、結(jié)束輸出：保存結(jié)果，保存步驟(5)處理后的水下投影矩陣參數(shù)，保存標(biāo)定結(jié)果。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明基于現(xiàn)有的電子技術(shù)和人工智能技術(shù)，提出了一種自適應(yīng)不同水質(zhì)下的水下相機(jī)標(biāo)定裝置，采用改進(jìn)的水下標(biāo)定技術(shù)，通過優(yōu)化的算法篩選出適合標(biāo)定的圖片，并通過加裝的電子設(shè)備，讓標(biāo)定板在不同水質(zhì)下反復(fù)進(jìn)行標(biāo)定，自動(dòng)化適應(yīng)不同的水質(zhì)情況。節(jié)省操作人員精力，降低成本，提高精確度、不需要設(shè)計(jì)不同環(huán)境下的標(biāo)定方法，提高了下一步圖像處理的準(zhǔn)確率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的硬件模塊框圖；

圖3是本發(fā)明的工作流程示意圖；

其中：1-處理器，2-防護(hù)罩，3-相機(jī)，4-標(biāo)定板，5-電腦，6-連接桿，7-水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1-2所示，一種自適應(yīng)水質(zhì)的水下相機(jī)標(biāo)定裝置，包括電源、處理器1、電機(jī)、相機(jī)3、標(biāo)定板4、連接桿6、水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊7和電腦5，其中：

所述電腦5驅(qū)動(dòng)相機(jī)3進(jìn)行拍攝，電腦5還通過處理器1驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所述電機(jī)通過連接桿6驅(qū)動(dòng)標(biāo)定板4相對(duì)于相機(jī)3運(yùn)動(dòng)，所述處理器1還與水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊7通信；

所述電源連接處理器1和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，并為其供電。

所述處理器1，用于接受電腦5的操作指令后，發(fā)出指令控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行，從而帶動(dòng)連接桿6，使得標(biāo)定板4到達(dá)指定的位置，進(jìn)行水下標(biāo)定。

所述處理器1通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

所述電源包括12v鋰電池和5v的模塊電源，5v模塊電源通過轉(zhuǎn)換器將12v鋰電池電壓轉(zhuǎn)為5v，其中12v為電機(jī)提供電源，5v為處理器提供電源。

所述相機(jī)3外設(shè)置有防護(hù)罩2。

所述處理器是型號(hào)為stm32f107的芯片；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為l298；電機(jī)是型號(hào)為42hs34-12d5-21-ip68的防水高精密步進(jìn)電機(jī)；相機(jī)是型號(hào)為cam01a的水下攝像機(jī)；水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊是型號(hào)為mpe400的多參數(shù)環(huán)境傳感器。

所述水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊，用于檢測(cè)當(dāng)前水域的水質(zhì)情況，包括當(dāng)前水域的電導(dǎo)率，溶解氧，orp，ph值，溫度，水位和壓力。

所述電腦，用于獲取和保存相機(jī)拍攝的圖片，還用于計(jì)算相機(jī)的標(biāo)定參數(shù)。

如圖3所示，先在空氣中使用相機(jī)拍攝圖像，然后使用張氏標(biāo)定方法計(jì)算出此時(shí)的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)；其中相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)是相機(jī)的固有屬性，不會(huì)隨著外部環(huán)境的變化而變換，相機(jī)的外部參數(shù)是相機(jī)與標(biāo)定的位置關(guān)系，保持位置關(guān)系不變；通過在水中拍攝圖像，在不改變外部參數(shù)的情況，進(jìn)入水中，拍攝多張照片，通過改進(jìn)的水下標(biāo)定方法，考慮光從水中進(jìn)入到防護(hù)罩這一過程發(fā)生了水到空氣的折射變化，計(jì)算出新的投影矩陣，通過濾波挑選出較為精確的參數(shù)完成水下相機(jī)的標(biāo)定，計(jì)算相機(jī)標(biāo)定參數(shù)包括以下步驟：

步驟(1)、進(jìn)行空氣中標(biāo)定：相機(jī)在空氣中拍攝包含標(biāo)定板的圖片，計(jì)算出相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)以及每張照片對(duì)應(yīng)的外部參數(shù)，空氣中相機(jī)標(biāo)定方程為：

式(1)和(2)中a是相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)矩陣，b是相機(jī)的投影矩陣，相機(jī)的投影矩陣在水下環(huán)境會(huì)發(fā)生變化，c是相機(jī)的外部參數(shù)矩陣，其中：r表示旋轉(zhuǎn)變換，t表示平移變換；[uv1]^t是圖像的像素點(diǎn)齊次坐標(biāo)；u是像素的橫向坐標(biāo)，v是像素的縱向坐標(biāo)，u，v是圖像坐標(biāo)系，[xwywzw1]^t表示世界齊次坐標(biāo)，xw，yw，zw是世界坐標(biāo)系；(u0，v0)是圖像的中心坐標(biāo)；dy是圖像縱向方向單個(gè)像素的物理尺寸；dx是圖像橫向方向單個(gè)像素的物理尺寸；f是相機(jī)的焦距；電腦根據(jù)上述公式計(jì)算出內(nèi)部參數(shù)dx，dy，f，以及外部參數(shù)r和t；

步驟(2)、獲取水下的圖片：保持相機(jī)與標(biāo)定板最后一次拍攝圖片的位置，將相機(jī)放入水中，在水下拍攝m張圖片，m為預(yù)先設(shè)定的數(shù)目，將拍攝的圖片傳給電腦；在這個(gè)過程中，保證相機(jī)與標(biāo)定板的外部參數(shù)保持不變，相機(jī)與標(biāo)定板的位置關(guān)系，水中和空氣中均不變；位置關(guān)系包括距離，角度等，可以理解為兩者之間沒有發(fā)生任何變化；

步驟(3)、進(jìn)行水下標(biāo)定：根據(jù)得到拍攝后的水下圖片，繼續(xù)通過步驟(1)中的式(1)和式(2)，得到現(xiàn)在情況下相機(jī)的m組內(nèi)部參數(shù)；

步驟(4)、對(duì)進(jìn)行標(biāo)定的水下圖片進(jìn)行濾波；將測(cè)定的m組內(nèi)部參數(shù)按從大到小的順序排列，由可疑值與其相鄰值之差的絕對(duì)值除以極差，求得q值；

其中：x疑是所要判定的值，x鄰是要判定值得鄰近值，x最大是這些數(shù)值中最大的值，x最小是這些數(shù)值中最小的值；q值愈大，表明可疑值離群愈遠(yuǎn)；計(jì)算m張照片的q值，比較q值與預(yù)先設(shè)定的p值，p值為標(biāo)準(zhǔn)值，其中q值≥p值的舍去，在p值范圍內(nèi)的留下，最后留下m*張圖片；

步驟(5)、對(duì)剩下的m*張圖片處理，根據(jù)水下投影公式(4)，計(jì)算現(xiàn)在水下投影矩陣的結(jié)果；

式(4)為考慮到水下折射，推倒出的水下投影矩陣，n0＝nair/nwater,nwater是水的折射率，nair是空氣的折射率，xu，yu是成像點(diǎn)的物理二維坐標(biāo)；通過空氣中標(biāo)定，已經(jīng)獲得的相機(jī)內(nèi)部參數(shù)、外部參數(shù)以及水下標(biāo)定之后的參數(shù)，可以將水下投影矩陣的參數(shù)求解出來，輸出水下投影矩陣參數(shù)；

步驟(6)、結(jié)束輸出：保存結(jié)果，保存步驟(5)處理后的水下投影矩陣參數(shù)，保存標(biāo)定結(jié)果。

其中，如圖1所示，電源、處理器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)集中在一個(gè)處理器內(nèi)，該處理器與電腦通信，驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使連接桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)標(biāo)定板工作。在不同水質(zhì)下，電腦發(fā)出指令，讓標(biāo)定板到達(dá)指定位置進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)束后，讓電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)標(biāo)定板，讓標(biāo)定板移開相機(jī)前端，不影響正常拍照獲取水下圖片。處理器與水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊連接，帶動(dòng)其工作。電腦是驅(qū)動(dòng)處理器的工作，采集相機(jī)的圖像信息，采集水質(zhì)，進(jìn)行圖片的標(biāo)定工作，并將標(biāo)定結(jié)果和水質(zhì)信息保存下來，進(jìn)行擬合曲線。連接桿帶動(dòng)標(biāo)定板轉(zhuǎn)動(dòng)，電腦記錄下標(biāo)定板與相機(jī)的位置關(guān)系。

本實(shí)施例中，電源，用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電，本實(shí)施例中采用的是12v鋰電池和5v的模塊電源，5v模塊電源通過轉(zhuǎn)換器將12v鋰電池電壓轉(zhuǎn)為5v，其中12v為給電機(jī)使用，5v為給處理器使用。處理器用于接受電腦的操作指令后，發(fā)出指令控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，使得電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)行，然后帶動(dòng)連接桿，使標(biāo)定板到達(dá)指定位置，它還驅(qū)動(dòng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)模塊工作。本實(shí)施例中，采用的處理器是stm32f107芯片，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于接受處理器模塊的指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作，本實(shí)施例中采用的是1路l298的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)用于在電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)下，帶動(dòng)標(biāo)定板轉(zhuǎn)動(dòng)，本實(shí)施例中采用的是1個(gè)42hs34-12d5-21-ip68的防水高精密步進(jìn)電機(jī)。相機(jī)用于在電腦的操作下，拍攝需要檢測(cè)的對(duì)象，本實(shí)施例中采用的是cam01a的水下攝像機(jī)。本實(shí)施例中采用的是張氏標(biāo)定法中的棋盤標(biāo)定板，進(jìn)行防水的涂裝變?yōu)樗缕灞P標(biāo)定板。本實(shí)施例中采用的是mpe400多參數(shù)環(huán)境傳感器，可以檢測(cè)出電導(dǎo)率，溶解氧，orp，ph值，溫度，水位和壓力(絕對(duì)壓力)等數(shù)據(jù)電腦用于管理處理器的工作，用于獲得相機(jī)的拍攝結(jié)果，用于分析和保存相機(jī)拍攝的照片，用于進(jìn)行圖片的標(biāo)定，水質(zhì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)保存以及對(duì)于畸變參數(shù)與水質(zhì)環(huán)境的擬合。本實(shí)施例中電腦采用的是戴爾t5810型圖形工作站，這個(gè)工作站實(shí)際上就是一臺(tái)電腦，通過電腦來操作。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。