【摘 要】
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水下双目视觉定位是深海智能精确作业的核心技术之一,在引导深海液压机械臂精确抓取工作中起着关键性的作用,是我国发展海洋强国过程中的研究热点。然而,将双目立体视觉技术应用在深海水下环境作业时,面临较大的挑战。首先,深海水下作业存在折射现象,且海水的折射率随着水深、盐度、温度的变化而波动,影响标定误差,降低定位精度。其次,深海水下拍摄环境恶劣,浮游生物、暗流、絮状物以及水下作业抖动均会影响成像质量,干扰
【基金项目】
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“中国科学院战略性先导科技专项（A类）”子课题“智能精确作业模块研制”；
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水下双目视觉定位是深海智能精确作业的核心技术之一,在引导深海液压机械臂精确抓取工作中起着关键性的作用,是我国发展海洋强国过程中的研究热点。然而,将双目立体视觉技术应用在深海水下环境作业时,面临较大的挑战。首先,深海水下作业存在折射现象,且海水的折射率随着水深、盐度、温度的变化而波动,影响标定误差,降低定位精度。其次,深海水下拍摄环境恶劣,浮游生物、暗流、絮状物以及水下作业抖动均会影响成像质量,干扰图像特征信息提取,降低图像匹配精度。本论文在“中国科学院战略性先导科技专项（A类）”子课题“智能精确作业模块研制”的支持下,围绕着上述两个方面展开了研究工作,研究了水下折射模型及相机标定,水下图像增强以及双目立体匹配算法。搭建了双目定位系统,并模拟深海作业环境开展定位作业实验,实验结果满足深海精确作业的要求。本论文具体的研究内容如下:1.研究了水下双目视觉定位原理及相机标定技术。针对水下作业存在的折射问题,建立折射模型,分析摄像机在空气与水下环境中成像的差异性。依据水下与空气图像三维坐标之间的对应关系,构建出水下图像转换到空气中图像的数学模型,对水下图像进行了校正,并通过实验得到了验证。最后,结合双目三角测量原理,提出了基于标记点辅助标定的方法,解决了深海水下介质参数动态变化所引起标定误差的问题。2.研究了水下图像增强技术。针对水下图像噪声多、图像模糊的特点,采取双边滤波和基于暗通道去雾算法处理;针对水下图像色偏、低对比度的特点,先利用白平衡化和直方图均衡化处理,得到两幅图像作为融合图像的输入;再定义融合权重计算归一化权重图;最后,基于金字塔对输入图像和归一化权重图进行多尺度分解和融合,得到融合增强的图像。3.研究了双目立体匹配算法,对于匹配过程中存在的问题,提出了对应的解决方法。针对水下作业特殊性,采用基于Census变换匹配代价的半全局匹配算法,实验结果表明具有可行性。最后,模拟深海环境进行了双目定位作业实验,根据匹配得到的视差图,对物体深度信息进行精确的测量。实验数据表明,在1m～1.5m的作业范围内具有较高的准确性。
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