基于激光三維成像技術(shù)的長(zhǎng)江深水打撈視頻方法

摘 要：提出了一種在長(zhǎng)江內(nèi)河深水打撈中實(shí)現(xiàn)激光視頻的技術(shù)方法，理論上可以實(shí)現(xiàn)水下三維圖像實(shí)

時(shí)傳輸，并將目前普通光源照明距離提高到10m量級(jí)，結(jié)合聲納技術(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)較大水

深三維可視探測(cè)和高效、精確打撈。

關(guān)鍵詞：深水 三維 激光 視頻 打撈

長(zhǎng)江干流流經(jīng)七省二市，主要支流溝通長(zhǎng)江南北地區(qū)，2010年，長(zhǎng)江干線貨物貨運(yùn)量達(dá)到了15.02億噸，是1978年的36倍，是美國(guó)密西西比河的2倍、歐洲萊茵河的3倍，成為目前世界上內(nèi)河運(yùn)輸最繁忙、運(yùn)量最大的通航河流。長(zhǎng)江干線2688公里，隨著長(zhǎng)江航運(yùn)的蓬勃發(fā)展，長(zhǎng)江干線船舶航行密度和貨運(yùn)量快速增加，同時(shí)航道水文復(fù)雜多變，碰撞、擱淺等安全事故多發(fā)、頻發(fā)，礙航沉船不斷增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“十一五”期間長(zhǎng)江干線年均沉船28艘，其中，位于主航道上礙航阻航沉船有13艘。而這些沉船導(dǎo)致航道航寬縮減、航道環(huán)境惡化，存在巨大安全隱患，亟待打撈清除。

由于長(zhǎng)江干線水深變化大、流速較大等因素，特別是三峽水庫(kù)區(qū)域面積大、水深超過(guò)100m，目前技術(shù)手段對(duì)沉船位置和狀態(tài)進(jìn)行有效探測(cè)存在較大困難，難以對(duì)其進(jìn)行打撈操作。2009年8月10日“航龍518”事故中，庫(kù)區(qū)62只沉沒(méi)集裝箱仍有57只沒(méi)有打撈出水，其中因探測(cè)手段缺乏而不能確定的疑似目標(biāo)達(dá)42個(gè)。因此水下探測(cè)，特別是深水環(huán)境下的精確探測(cè)成為了長(zhǎng)江深水打撈重要瓶頸。

國(guó)內(nèi)外深水打撈成像技術(shù)研究現(xiàn)狀

水下成像在海底軍事目標(biāo)探測(cè)、海上石油開(kāi)采、水下生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、港口和湖泊地形及目標(biāo)探測(cè)等領(lǐng)域有很廣泛的應(yīng)用，受到各國(guó)研究者的日益重視。目前，水下成像技術(shù)方法主要有三種：聲納成像、普通光源平面攝像和激光水下成像。

1、水下聲納成像

優(yōu)點(diǎn)是探測(cè)距離遠(yuǎn)、技術(shù)成熟；缺點(diǎn)是成像不清晰，對(duì)目標(biāo)的細(xì)節(jié)把握不夠，目標(biāo)識(shí)別比較困難。目前美國(guó)的合成聲納成像系統(tǒng)的成像距離可達(dá)幾百米、甚至幾十公里，但是最高成像分辨率僅為10cm以上，并且成像時(shí)間比較長(zhǎng)（分鐘量級(jí)），對(duì)水下聲納載體的平穩(wěn)性要求比較高；同時(shí)當(dāng)探測(cè)目標(biāo)（沉船、沉物）與環(huán)境背景緊密接觸時(shí)，目標(biāo)與背景區(qū)分困難。

2、普通光源平面攝像

普通光源平面攝像由白熾或疝氣大功率照明光源和水下攝像機(jī)組成。優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)要求低，成本較低；缺點(diǎn)是普通照明光源的光束在水下傳播時(shí)產(chǎn)生很強(qiáng)的后向散射，使目標(biāo)對(duì)比度降低，增大照明功率對(duì)提升成像距離的作用不大。國(guó)內(nèi)的普通光源照明水下成像系統(tǒng)的能見(jiàn)度在10cm到2m之間。

3、激光水下成像

優(yōu)點(diǎn)：距離較遠(yuǎn)、精度高，可三維成像；缺點(diǎn)是國(guó)內(nèi)仍處于研究階段。國(guó)內(nèi)外對(duì)激光水下三維視頻的研究日益增多，如水下目標(biāo)探測(cè)識(shí)別、水下激光三維成像技術(shù)。由于激光束在照亮目標(biāo)的同時(shí)，也產(chǎn)生大量的后向散射、多次散射背景光，同時(shí)目標(biāo)反射的激光也有很強(qiáng)的前向散射，這些都導(dǎo)致了水下激光圖像質(zhì)量的惡化。要得到高質(zhì)量的水下激光圖像，一般采用距離選通方或時(shí)間選通方法，通過(guò)延遲ICCD探測(cè)器的曝光時(shí)間，避開(kāi)照明激光后向散射和多次散射，得到一定距離上目標(biāo)反射回來(lái)的光形成的圖像，另外一種方法是利用目標(biāo)反射回來(lái)的光與背景的散射光的偏振態(tài)不同，調(diào)整探測(cè)器前的偏振片來(lái)提高目標(biāo)圖像的對(duì)比度。采用這些方法可以大大提高水下成像的距離，達(dá)到八倍左右衰減距離的能見(jiàn)度。對(duì)于水下三維重建一般采用激光三角法測(cè)量，其原理是，用一束激光以某一角度照射在被測(cè)物體表面，然后從另一角度對(duì)物體表面上的激光光斑進(jìn)行成像，物體表面激光照射點(diǎn)的位置高度不同，所接受散射或反射光線的角度也不同，用CCD光電探測(cè)器測(cè)出光斑像的位置，就可以計(jì)算出主光線的角度，從而計(jì)算出物體表面激光照射點(diǎn)的位置高度。利用照明激光束，采用線形激光束（線結(jié)構(gòu)光）掃描目標(biāo)，對(duì)相機(jī)視場(chǎng)角范圍內(nèi)進(jìn)行全方位掃描，抽取不同掃描角度下結(jié)構(gòu)光光斑中心在圖像中的位置，通過(guò)三角法計(jì)算掃描線上每一點(diǎn)相對(duì)相機(jī)的三維位置，就能得到視場(chǎng)目標(biāo)的三維形狀。我國(guó)激光水下成像的研究才剛剛興起，華中科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和中國(guó)海洋大學(xué)等科研院所進(jìn)行了水下三維成像的研究，但并未形成實(shí)用的三維成像系統(tǒng)，激光水下三維成像技術(shù)的研究面臨著巨大的發(fā)展空間。

水下激光三維視頻探測(cè)方法

采用波長(zhǎng)500nm左右的藍(lán)綠激光作照明光源，成像距離可達(dá)幾十米，大大提高了水下的探測(cè)距離，稱之為激光水下成像。可利用激光的線掃描完成目標(biāo)的三維掃描，重建目標(biāo)的三維形貌。激光三維掃描成像在大氣中的精度可達(dá)毫米以下量級(jí)，采用高速CCD和快速掃描光可使目標(biāo)的三維形貌在秒級(jí)時(shí)間內(nèi)重建。激光三維視頻技術(shù)可對(duì)10米量級(jí)的水下目標(biāo)進(jìn)行有效地識(shí)別和定位，協(xié)助制定打撈方案和水下打撈作業(yè)時(shí)精確定位。水下激光三維視頻探測(cè)方法示意圖1所示：

該方法主要由水下激光成像系統(tǒng)、DSP的圖像預(yù)處理系統(tǒng)和水面目標(biāo)三維重建和控制平臺(tái)三個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)深水打撈三維視頻的實(shí)時(shí)顯示。其中水下激光成像系統(tǒng)包括激光照明、線結(jié)構(gòu)光掃描系統(tǒng)和CCD成像系統(tǒng)，完成結(jié)構(gòu)光掃描和激光照明水下目標(biāo)視頻采集的任務(wù)；DSP圖像預(yù)處理系統(tǒng)，采用專用的數(shù)字處理芯片（DSP）來(lái)完成視頻圖像的去噪和增強(qiáng)、圖像中線結(jié)構(gòu)光光斑中心定位，并將它發(fā)送到圖形工作站；水面圖形工作站負(fù)責(zé)將DSP發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)三角法重建目標(biāo)的三維形態(tài)，并實(shí)時(shí)顯示水下視屏，控制平臺(tái)負(fù)責(zé)控制激光掃描系統(tǒng)和DSP圖像處理系統(tǒng)何時(shí)進(jìn)行線結(jié)構(gòu)光掃描圖像采集，何時(shí)進(jìn)行激光照明視頻采集。

1、水下激光成像系統(tǒng)

包括激光光源、掃描系統(tǒng)、CCD成像系統(tǒng)以及密封艙（用于深水探測(cè)）。

激光光源采用連續(xù)氬離子激光器，波長(zhǎng)為515nm，處于水中光傳播的窗口，功率能達(dá)瓦級(jí)，保證照明的強(qiáng)度。采用柱狀鏡或漸變光波導(dǎo)將點(diǎn)光源變換為線光源輸出；通過(guò)電機(jī)上的棱鏡將線結(jié)構(gòu)光反射至相機(jī)視場(chǎng)內(nèi)；如果需要激光照明采集視頻，則高速旋轉(zhuǎn)電機(jī)，使線光源均勻分布在相機(jī)視場(chǎng)角內(nèi)，達(dá)到水下連續(xù)照明的效果；如需要獲取三維數(shù)據(jù)，則控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，間隔一定角度進(jìn)行圖像采樣，實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)內(nèi)的線結(jié)構(gòu)光掃描；CCD相機(jī)負(fù)責(zé)視頻和結(jié)構(gòu)光圖像采集；而密封艙將整個(gè)水下成像系統(tǒng)密封，便于深水作業(yè)，通過(guò)電纜連接水上電源和掃描系統(tǒng)控制信號(hào)，并將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿鎴D形工作站進(jìn)行三維處理。該系統(tǒng)新穎之處在于用一套激光器和掃描系統(tǒng)就能完成照明和結(jié)構(gòu)光掃描的任務(wù)。

2、 DSP的圖像預(yù)處理系統(tǒng)

采用將DSP封裝在密封艙內(nèi)，完成掃描視頻的結(jié)構(gòu)光抽取，并通過(guò)電纜將結(jié)構(gòu)光的數(shù)據(jù)傳送給水面的圖形工作站。由于視頻數(shù)據(jù)量非常大，要求比較高的傳輸速度；其次三維重建時(shí)首先要將線結(jié)構(gòu)光分割出來(lái)，如果掃描采樣比較密集，需要做大量的圖像分割計(jì)算，則三維重建的實(shí)時(shí)性得不到保證。而圖像DSP具有高速的圖像處理能力和可編程控制的優(yōu)勢(shì)，利用高速DSP將結(jié)構(gòu)光掃描圖像中的結(jié)構(gòu)光中心位置計(jì)算出來(lái)，將數(shù)據(jù)傳輸給水面的圖形工作站，避免了大量數(shù)據(jù)的傳輸，減輕了工作站的計(jì)算量，保證三維重建的實(shí)時(shí)性。

DSP圖像處理系統(tǒng)包括硬件電路部分和圖像預(yù)處理軟件部分。硬件部分的框架圖如圖2所示。在視頻模式下，DSP圖像處理平臺(tái)將CCD傳送過(guò)來(lái)的視頻信號(hào)通過(guò)與圖像工作站之間的通信傳送給水面圖像工作站；在結(jié)構(gòu)光掃描模式下，DSP圖像處理平臺(tái)負(fù)責(zé)采集圖像，對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，定位出激光光斑的中心位置，并發(fā)出下一個(gè)掃描信號(hào)，控制電機(jī)對(duì)整個(gè)視場(chǎng)進(jìn)行掃描，最后將處理完的數(shù)據(jù)傳送給水面圖像工作站。DSP與圖形工作站之間采用RJ45連接，TCP通信協(xié)議進(jìn)行通信。

軟件部分負(fù)責(zé)對(duì)每幅結(jié)構(gòu)光掃描圖像進(jìn)行預(yù)處理，得到精確的光斑中心位置。擬采用的算法如下：首先對(duì)圖像去噪，然后進(jìn)行圖像分割，分割出亮條紋；由于激光光束的后向散射，分割后的條紋比較寬，毛刺也比較多，還需要對(duì)條紋進(jìn)行細(xì)化，得到單像素寬度的條紋，并對(duì)條紋進(jìn)行整枝處理，消除毛刺。

3、水面目標(biāo)三維重建和控制平臺(tái)

由水下成像和三維重建軟件在水面設(shè)置的圖形工作站上運(yùn)行，接收來(lái)自水底的視頻信號(hào)和DSP傳送回來(lái)的結(jié)構(gòu)光數(shù)據(jù)，并將結(jié)構(gòu)光數(shù)據(jù)通過(guò)三角法重建目標(biāo)三維形狀，完成目標(biāo)的三維顯示，協(xié)助操作人員進(jìn)行目標(biāo)的判斷。控制平臺(tái)則控制DSP和掃描系統(tǒng)之間互相協(xié)調(diào)，完成視頻模式下激光照明水下視頻采集和視頻傳輸，結(jié)構(gòu)光掃描模式下掃描系統(tǒng)的掃描角度控制和結(jié)構(gòu)光圖像數(shù)據(jù)的處理及傳輸。