基于双目视觉的水下光学目标检测与跟踪技术研究
发布时间：2020-11-21 06:17
我国作为海洋大国,对海洋资源的开发利用具有重要的军事和经济价值。水下航行器是海洋资源探测、开发和利用的重要工具。仿生水下航行器由于在机动性、能耗、隐蔽性等方面都具有较大优势,近年来得到工业界和学术界的关注。在近水、浅水环境中,利用立体视觉传感器可以获取比传统的声学设备具有更加丰富的图像信息,进而可以提高航行器对复杂位置环境的感知能力和自主航行能力。然而,水下视觉技术需要解决成像质量差、对环境敏感、鲁棒性低等难点问题。对此,本文在军委科技委和船舶工业工程研究院项目的支持下,重点研究水下仿生航行器光学目标检测跟踪及试验平台构建问题,具体研究内容如下。针对水下视觉技术,本文以激光束为研究目标,分析其水下成像特点,利用颜色特征和几何特征融合增强目标对比度,通过形态学运算、目标直线拟合等方法对目标检测,在曲线拟合部分,通过上下搜索的方法可以提高检测的鲁棒性;在目标特征点变化、水下背景单一情况下,研究了基于信息融合的卡尔曼滤波跟踪技术,以解决目标跟踪问题,同时针对特定目标优化运动模板跟踪算法,提高跟踪效果。通过室内试验,验证和评估了目标跟踪性能。分析了水下和空气中相机模型的差异,推导水下目标距离相机不同位置引起图像畸变的关系,并通过室内、水下相机标定验证,在此基础上建立了双目视觉模型,解算了目标相对相机的空间位置。通过室内试验,验证和评估了空间位置的解算精度。设计制作了依靠BCF运动方式(如黑鱼型)的仿生水下航行器,水下试验表明该仿生鱼具有较好的机动性能,实际转弯半径小于一倍体长;游动速度满足了项目要求,但是提升空间较大。开展了仿黑鱼航行器室外水下游动和目标跟踪试验。在该航行器平台上,完成了基于视觉的感知和控制算法的代码实现和模块测试,以及利用水下双目视觉检测跟踪水下激光束目标的游动试验。基于实测数据评估了控制算法,目标位置解算模型和跟踪算法的准确性和鲁棒性。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.41;O439
【部分图文】：
供了理论基础。ＰａｔａｒＥｂｅｎｅｚｅｒＳｉｔｏｒｕｓ团队［１４］设计一种以一堆胸鳍作为动力的仿生??鱼，该仿生鱼验证了以成对胸鳍做了推进器的可能性。??如图１－１所示，图中是一款名为“ＯｃｅａｎＯｎｅ”、能探索水下世界的人形机器人，??该机器人是在２０１６年，由一支斯坦福大学的团队研制成功。该机器人在背面搭载??了髙性能的计算单元、电池、推进器，使它能像真人一样游泳。它身高５英尺，??使用人工智能和触觉反馈系统，其中所搭载的立体视觉系统向终端传递的信息，??是感知周围环境的重要模块。??图１－１斯坦福大学的ＯｃｅａｎＯｎｅ水下仿生机器人正在水下作业??３??
实际上国内的许多商业公司也进行仿生鱼研宄，博雅工道公司的ＲＯＢＯＳＥＡ系列??机器鱼在水下摄影、无线遥控方面具有不错的性能。韩端科技公司所研制的多关??节仿生鱼，图１－２所示，在外形和机动性能上与真鱼相似度较高，??麵麵??图１－?２韩端科技公司研制的仿生鱼??１．３主要内容??双目视觉技术在获取目标三维信息方面具有很大的优势，本文在军委科技委??和船舶工业工程研究院项目的支持下，将双目相机作为水下光视觉技术的核心模??块，研宄水下光学目标检测跟踪技术，并通过搭建仿生水下航行器，实现水下光??束目标的随动跟踪。具体研宄内容如下：??１）
??图２－?１光的折射示意图??ｔ?ｍ??图２－?２空气中与水下畸变对比??３）浮游物质和水流对成像的影响??水的密度、浮力远大于空气，因此在水中有许多浮游生物和物质，导致水下??可视距离较短，因水流的作用，这些生物、物质处于运动状态，当目标为激光束??时，成像主要依赖于这些物质对激光的反射，因此会造成激光束在水下成像为不??连续的光斑，呈不固定状态。因激光束为非实体状态，因此成像质量和水下环境??浑浊度、激光束功率大小有很大的关系，当激光功率髙、水质不够清澈时，成像??９??
【参考文献】
本文编号：2892662
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TP391.41;O439
【部分图文】：
供了理论基础。ＰａｔａｒＥｂｅｎｅｚｅｒＳｉｔｏｒｕｓ团队［１４］设计一种以一堆胸鳍作为动力的仿生??鱼，该仿生鱼验证了以成对胸鳍做了推进器的可能性。??如图１－１所示，图中是一款名为“ＯｃｅａｎＯｎｅ”、能探索水下世界的人形机器人，??该机器人是在２０１６年，由一支斯坦福大学的团队研制成功。该机器人在背面搭载??了髙性能的计算单元、电池、推进器，使它能像真人一样游泳。它身高５英尺，??使用人工智能和触觉反馈系统，其中所搭载的立体视觉系统向终端传递的信息，??是感知周围环境的重要模块。??图１－１斯坦福大学的ＯｃｅａｎＯｎｅ水下仿生机器人正在水下作业??３??
实际上国内的许多商业公司也进行仿生鱼研宄，博雅工道公司的ＲＯＢＯＳＥＡ系列??机器鱼在水下摄影、无线遥控方面具有不错的性能。韩端科技公司所研制的多关??节仿生鱼，图１－２所示，在外形和机动性能上与真鱼相似度较高，??麵麵??图１－?２韩端科技公司研制的仿生鱼??１．３主要内容??双目视觉技术在获取目标三维信息方面具有很大的优势，本文在军委科技委??和船舶工业工程研究院项目的支持下，将双目相机作为水下光视觉技术的核心模??块，研宄水下光学目标检测跟踪技术，并通过搭建仿生水下航行器，实现水下光??束目标的随动跟踪。具体研宄内容如下：??１）
??图２－?１光的折射示意图??ｔ?ｍ??图２－?２空气中与水下畸变对比??３）浮游物质和水流对成像的影响??水的密度、浮力远大于空气，因此在水中有许多浮游生物和物质，导致水下??可视距离较短，因水流的作用，这些生物、物质处于运动状态，当目标为激光束??时，成像主要依赖于这些物质对激光的反射，因此会造成激光束在水下成像为不??连续的光斑，呈不固定状态。因激光束为非实体状态，因此成像质量和水下环境??浑浊度、激光束功率大小有很大的关系，当激光功率髙、水质不够清澈时，成像??９??
【参考文献】
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