ROV海底視像資料3D模型構建方法設計

摘 要：海底地形測量及可視化是地形數據解釋的關鍵，海底視像調查是海底地形觀測的重要技術手段。采用ROV（Remotely Operated Vehicles，遙控水下機器人）進行海底地形視像觀測，是一種極高效率的可視化工具，通過ROV獲取的大量視頻和圖像資料，有極大的數據挖掘潛力。文章介紹了ROV視像調查工作手段，評述了一種基于工業軟件的數據處理流程，并詳細闡述了利用ROV的視頻和圖像資料生成3D可視模型的處理方法，該方法將為海洋地質調查提供一種全新的可視化海底地形探測手段。

關鍵詞：ROV；視像調查；數據處理

1 引言

海底地形是海洋地質學、海洋地球物理學、物理海洋學和海洋生物學等研究的基礎資料。海底地形的復雜性是影響海洋要素分布的重要因素之一，也是海洋海流呈現多樣化的重要原因，也影響到了海洋水團的來源和性質；另外，對海洋資源的數量及多樣性也有重要影響；對海洋沉積物類型的空間分布及厚度影響更為直接[1-3]。因此，對海底地形的研究具有重要意義。

海底地形研究的關鍵部分是海底地形測量。目前有多種形式的海底地形測量方法，其中海底視像調查已經被廣泛地應用于各種各樣的海洋科學研究中[4]，從而成為重要的海底地形測量方法之一。海底視像調查是利用水下攝影設備對海底目標或局部地形進行的直接可視化的測量工作，目的是確定海底攝影目標的形狀、大小、位置和性質，或局部地形的起伏狀態。水下機器人（ROV（Remotely Operated Vehicle，以下簡稱ROV），是一種具有智能功能的水下遙控潛水器。ROV可以通過配置攝像頭和多功能機械手，攜帶具有多種用途和功能的聲學探測儀器以及專業工具進行各種復雜的水下作業任務。其中利用ROV錄像探測海底信息并對海底目標物進行直接目視觀測被認為是ROV的重要作業手段之一[6-8]。

傳統上使用的ROV大多應用于可視觀測、攜帶特定傳感器作業以及回收實體樣品等精細調查。當需要高精度定位取樣時，樣品采集經常依賴于水下定位系統提供的目標位置和攝像機實時傳輸的視像信息。由于ROV是定點作業，采集的視像信息范圍有限，如果不對作業區提前進行全面的調查，研究人員則沒有把握在科學或工程上最相關的區域進行觀測或取樣。并且由于所有的攝影設備都需要裝在密封的耐壓艙體中，視像觀測技術的水下應用就出現了一些重要的問題。比較顯著的是，在耐壓艙體中，攝影設備采用的空氣-玻璃-水界面是一個額外的光學因素，光學測量也會因為許多元件在壓力下變形，以一種非線性的方式發生改變，從而導致拍攝的視像信息失真[9]。海底3D可視模型能很大程度上降低上述問題的困擾，如何利用ROV海底視頻和圖像生成3D可視模型，從而更精確反映海底信息，為海底地形探測等各項工作提供更有價值的信息，是一個重要而緊迫的問題。

本文將概述介紹并評述一種基于第三方軟件的視像資料處理流程。旨在介紹一種ROV視像資料生成3D可視模型的處理技術方法和思路，為我國今后更好地利用ROV海底視像資料提供參考。從而激發對視像調查制圖工作流程的開發，并完成了從ROV海底現場工作錄像中生成3D可視模型的技術開發和研究。

2 系統設計

開發利用深部海洋資源時需要勘探海底地形，特別是海底可視化3D地形更為直觀化，因而海底視像調查是一種行之有效的方法。在前期調查獲取的等深線圖和海底取樣樣品信息等已有的調查基礎上，使用ROV開展作業，對需要開展構造的目標進行詳細調查， 獲得詳細的調查資料后，利用ROV視像資料并基于第三方軟件進行3D可視模型構建，能夠導出基本的野外地質信息，例如定量的地層學和大地構造等信息。該工作流程可以獲得海底標志物（如海底露頭）的三維模型，能在地理參照坐標系內定量測量節理方向、地層構造、粒徑大小和像片鑲嵌等。獲得的資料使得對海底火山及海底構造的解譯從手標本尺度發展到出露露頭尺度。整個操作流程具有穩定、可重復及響應迅速且易于使用的特征，可以在海上對新數據進行及時評估。

利用海底視像數據重建模型的質量主要取決于攝影機拍攝的原始視像資料的清晰度，差的圖像質量極易導致錯誤的圖像匹配。為獲取海底視像資料和ROV運動軌跡，ROV上需要安裝多功能攝像頭、各種傳感器，特別是在ROV前端配置有2個高質量的攝像系統。為調整立體裝置的光學偏差，攝影設備的耐壓艙體都裝有平坦的玻璃艙門。在視像調查時盡量避免使用可變焦距器件，且只有在焦距被準確的錄入日志后才可以調節。此外，重建軟件必須能夠把這些數據合并到模型生成的過程中，否則變焦攝影會被解譯為接近目標的運動，致使無法測量軌跡。攝影機放置應當與目標成正交，如果角度大于45°會導致構建失敗或錯誤。在深海里進行視像拍攝時，應讓目標物在一個連續的網格上移動，避免快速移動。另外，為降低失真，測量儀器運行軌跡應當經常彼此交叉，或者與重要觀測部位平行。此外，攝像系統應該盡可能的簡單，可利用焦深鏡頭或者相對小孔徑的定焦距進行拍攝作業。

ROV的水下運動軌跡的定位系統包含以下部分：多普勒計程儀（DVL），用來記錄亞厘米分辨率的三維差異運動軌跡；超短基線定位系統（USBL），與母船底部的USBL天線配合進行ROV的精確定位；羅盤提供ROV的艏向信息；溫鹽深測量儀（CTD）采集海水的溫度、鹽度、深度等實時數據；姿態傳感器反映設備的姿態數據（如航向、橫搖傾角、縱傾傾角等）。

視像資料處理和模型重建是一個非常密集的計算過程，需要使用多套第三方視像資料處理軟件在高配置工作站上處理數據，本文下一部分將對整個過程進行詳細敘述。

3 3D模型構建

3.1 數據及預處理

ROV海底視像資料及其運動軌跡數據通過ROV水下作業獲得以后，需要分別進行預處理，否則會影響到3D模型構建的效果，這一步至關重要，然后才能進行3D模型構建。

ROV的運動軌跡是重建模型質量評估的唯一參照系數據，通過ROV配置的多普勒計程儀（DVL）和超短基線定位系（USBL）來獲得相關數據，并對ROV的航行軌跡進行定位處理得到模擬曲線[9]。通過對這兩組傳感器數據進行擬合和插值運算得到相應的軌跡圖，通過相互對比可以得到混合的運載器路徑。特別指出的是，USBL和DVL航行數據必須經過精細地修正，使用半自動的數字圖象處理路線，生成混合的運載器路徑，在考慮到各自的情況下穩定兩個數據源：兩個信號的x和y元件都被系統固有的離群值過濾，之后DVL的短波部分被復制到USBL的長波部分。此外，由于漂移效應以及使用CTD合并記錄和壓力傳感器的失效通道，DVL信號垂直部分需要修正。

為利用ROV的海底視像資料進行3D模型重建，研究人員開發了一套全新的數據預處理工作流程，見圖1所示。

3.2 視像重建

為進行視頻和圖像的模型重建，采用了第三方軟件Agisoft的航空攝影測量軟件（Photoscan Professional）進行輔助建模。該軟件提供了一套完整的工作流程，包括完整的核心重建、輸入圖像預處理和已完成的模型編輯等。重建模型需要用到ROV海底作業時的攝像機狀態（例如位置和方向）。這個軟件首先嘗試通過一個合適的精確的七個參數轉換進行地理參照。在第二步中，重建的幾何體和攝像機狀態受到ROV運動軌跡非線性最優化過程的影響，對于所有的狀態，模型會計算偏差的程度和均方根誤差值。隨后，將圖像從攝像機狀態重投影，通過模型表面之后，圖像結構可以作為正射影像拼接輸出。重疊區域由紋理混合規則來處理，可通過從投影到給定表面坐標的一系列重疊像素中選取最亮的可用像素來獲得最好的結果。對強烈變化的物體距離，可以通過形成平均重疊的像素來得到更滿意的視覺結果。該重建模型可以輸出到各種方程和地理參考系中。高分辨率的模型包括變形模型和用于進一步解釋的攝影機位置在Autodesk 3ds方程中輸出。

值得注意的是，為了從二維圖像中重建三維圖像信息，處理算法需要獲得攝像參數（相對目標的攝影機位置尤為重要）和固有的攝影機參數（鏡頭到傳感器的光途徑的描述）。只有在具有固有參數和一些最基本的外部信息，如攝影機位置和方向等精確信息的情況下，才能得到真正精確的重建。

3.3 模型解釋

為測量平面結構如斷層、節理或地層層面等信息，可在該模型中運用二維的Autodesk“剖面對象”。調整“剖面對象”的方位使模型化的海底交叉點與地質結構相匹配。模型上的面消減的越多，測量就越準確。這個操作具有以下優勢：首先可以在結構不明確邊界（例如粗糙礫石的海岸）也能夠精確的確定該結構的層位，其次它擴大了可進行層位測量的取樣區，從而可以進行具有代表性的“均向和傾向”測量而不僅是單個點測量。可以在“主剖面圖”上沿著露頭模型，把定向“剖面對象”劃分成幾個部分，然后根據露頭實際情況得到可以直接輸入到矢量化軟件的比例精確的地質剖面。

在數據處理技巧上，可以通過在模型中的碎屑巖周圍創建合適的球體、橢圓及方形來測量結晶粒度，并沿著相應的參照坐標軸讀取目標物的大小。結合多種單體測量技術，把目標物成批重命名并聚合在一起，然后將這些聚合體放在可見層中，從而實現了批量處理。

3.4 可視化

主要用3dsMax創建用于實時可視化軟件的模型。為了從模型中獲得定量的地質信息，采用以下基本路線：1）創造Autodesk 3ds Max 幫助對象；2）測量和整合數據以匹配待測量的地質特性；3）讀取幫助對象的各個特性。這一系列操作之后就可以產生精確可視的信息。

對模型進行定量評估后，研究人員通過適當的數據可視化來加強質量分析。特別是ROV可視數據通常在地質非相關的臨時維度（時間標記而不是地理參照）對用戶可用，意味著它所包含的信息很難過期獲得。研究人員運用3D模型調取ROV可視數據集到相關的地理架構內，從而使人們可以通過位置來獲得錄像信息。

其他的可視化平臺也可以應用于可視化工程，例如ArcGIS能顯示深度圖、ROV軌跡、重建露頭的整合圖像、樣品位置和最終地質圖層；Fledermaus能夠結合海底測深數據在四維空間展示大部分的GIS地層；虛擬地球如Google Earth和Word Wide Telescope能識別海底結構分布，并直接從圖像瀏覽中輸出。

4 結束語

本文所論述的海底視像調查資料處理工作流程，經過驗證，整個操作流程具有穩定、可重復及響應迅速且易于使用的特征，可以在海上對新數據進行及時評估，應用該操作流程可以把現場ROV視像資料變為可提供更多有用的地質學和定量的信息而不是視頻幀了，這是一個全新的利用現場ROV視像資料的思路。

通過3D可視模型構建，能夠導出基本的野外地質信息，如定量的地層學和大地構造等信息。該工作流程可以獲得海底標志物（如海底露頭）的三維模型，并能在地理參照坐標系內定量測量節理方向、地層構造、粒徑大小和像片拼接等。

近年來國土資源部廣州海洋地質調查局運用“海獅號”ROV對南海海域進行了多次海底勘探，獲得了一些海底現場的ROV錄像資料。目前這些資料的利用主要局限在直接的目視觀測和粗略的資源評價，沒有上升到視頻模型建立和精細解析的程度，難以精確地分析調查區的資源量及地形地貌特征。針對這些資料利用上的不足，可將ROV海底視像資料3D模型構建方法充分運用到海上野外生產，更大程度的發揮ROV采集的視像資料價值，為目標區資源含量、地形地貌特征和底質層位信息評價提供更為豐富的基礎數據。

參考文獻

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