無(wú)人機(jī)載激光線掃描淺灘三維成像研究

吳俁昊,崔子浩,2,高 陽(yáng),王 暢,曲思錦,田兆碩,2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)信息光電子研究所,山東 威海 264209；2.山東船舶技術(shù)研究院,山東 威海 264209)

1 引 言

隨著海洋資源開發(fā)的持續(xù)發(fā)展,海洋探測(cè)成為人類認(rèn)知海洋的有效手段。目前海洋探測(cè)技術(shù)主要有聲納探測(cè)技術(shù),雙目視覺技術(shù),激光雷達(dá)探測(cè)技術(shù)與結(jié)構(gòu)光探測(cè)技術(shù)。在近海淺水區(qū)域,時(shí)變的復(fù)雜海底環(huán)境,潮汐的往復(fù),河口的對(duì)流沖刷加大了水下探測(cè)的難度,在探測(cè)時(shí)傳統(tǒng)探測(cè)方法存在環(huán)境限制,體積大,成本高,靈活性差等問(wèn)題,線激光掃描作為一種成熟的主動(dòng)結(jié)構(gòu)光探測(cè)技術(shù)[1-3],具有成本低,測(cè)量精度高,非接觸等優(yōu)點(diǎn)[4-5],已被大量應(yīng)用于水下探測(cè)[6-8]。多旋翼無(wú)人機(jī)以其優(yōu)良的機(jī)動(dòng)性與靈活性,搭載探測(cè)系統(tǒng)[9],在較多礁石與海草的淺水區(qū)域,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)水下載體,實(shí)現(xiàn)快速水下掃描。無(wú)人機(jī)搭載線激光掃描系統(tǒng),可在近海淺水環(huán)境復(fù)雜區(qū)域靈活作業(yè)并實(shí)現(xiàn)快速精確的三維重構(gòu)。

2 淺海目標(biāo)成像原理

淺海目標(biāo)主要可分為海面上目標(biāo)、海面、海面下目標(biāo)三類。在成像過(guò)程中,激光經(jīng)過(guò)空氣和海水的分界面,光線偏離原始方向,并且海面上目標(biāo)、海面、海面下目標(biāo)同時(shí)成像,不同的目標(biāo)需要不同的解算。因此需要建立系統(tǒng)模型,并針對(duì)目標(biāo)特點(diǎn)進(jìn)行激光條紋的提取。

2.1 系統(tǒng)模型與三維坐標(biāo)解算

水下測(cè)量系統(tǒng)模型如圖1所示:激光經(jīng)水面折射照射到水下物體,再次折射入相機(jī),其中相機(jī)采用針孔成像模型,假設(shè)相機(jī)光軸垂直于水面,在相機(jī)坐標(biāo)系OXYZ下,建立相機(jī)從二維到三維的投影關(guān)系,以及水上激光與水下激光的折射關(guān)系,并求出水下物體在相機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)。

圖1 線激光水下折射模型

激光成像點(diǎn)在激光圖片上的二維圖像坐標(biāo)為(U,V),根據(jù)針孔模型,對(duì)應(yīng)的三維相機(jī)坐標(biāo)系齊次坐標(biāo)點(diǎn)p(u,v,1) 有轉(zhuǎn)換關(guān)系:

(1)

激光成像點(diǎn)在相機(jī)齊次坐標(biāo)下的坐標(biāo)為p(u,v,1)可得到角度:

(2)

(3)

若物體在水面下,相機(jī)坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn)據(jù)水面高度H,水面上的投影點(diǎn)P′(x′,y′,z′),入射進(jìn)相機(jī)的激光光線與水面法線夾角α,根據(jù)相機(jī)投影模型有:

x′=uHy′=vH

(4)

目標(biāo)物體在水下,假設(shè)激光面與水面夾角為θ,對(duì)應(yīng)的水下光線與水面法線夾角為γ,入射出水面的激光光線水面法線夾角為β,空氣折射率na,海水折射率nw,根據(jù)折射定律得到:

(5)

并且得到直線PP′ 方程為:

(6)

激光器發(fā)出的激光光面經(jīng)過(guò)水面折射后的光不是一個(gè)平面,為了更好地進(jìn)行計(jì)算,光面可近似為一個(gè)平面:

(Acosγ)x+(Bcosγ)y-(Asinγ)Z+M=0

(7)

式中，M=CHcosγ+Dcosγ+AHsinγ

聯(lián)立式(6)和式(7)可得:

(8)

式中,N=(Bsinφ-Acosφ)tanβcosγ,式(8)得到了水下目標(biāo)點(diǎn)P(x,y,z)的三維坐標(biāo)。

2.2 激光條紋提取

采用OpenCV對(duì)采集的激光圖像進(jìn)行激光條紋提取,提取分為水上,水面,水下激光條紋提取。

激光照射到水上物體上時(shí)強(qiáng)度較高,激光照射到水面與水下物體時(shí)強(qiáng)度略低,并且激光在水下的后向散射強(qiáng)度比水面的強(qiáng)度低并且逐深度下降,水下激光根據(jù)物體深淺以及物體表面反射率強(qiáng)度不一,但相比與水下的后向散射的強(qiáng)度要高。激光條紋提取圖像處理算法流程如圖2所示。為提取不同位置的激光條紋,首先對(duì)原始激光圖像進(jìn)行畸變矯正以保證之后水面直線的提取,然后進(jìn)行高斯濾波與閾值分割,并根據(jù)連通域大小去除圖像上的孤噪點(diǎn),根據(jù)強(qiáng)度閾值提取強(qiáng)度較高的水上與水下激光條紋,并采用中值法進(jìn)行條紋中心的提取,再利用Sobel算子求圖像橫向梯度找出水面升梯度位置,利用霍夫變換剔除直線外噪點(diǎn)并根據(jù)最小二乘法擬合直線得到水面位置,根據(jù)直線位置分辨水上和水下物體的條紋,最后根據(jù)梯度圖像找到水下較弱的激光位置,并利用極值法提取水下較弱的激光條紋中心。

圖2 激光條紋提取圖像處理算法流程圖

3 成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)的硬件可分為無(wú)人機(jī)載硬件部分和地面硬件部分,其中無(wú)人機(jī)載線掃描部分包括激光器、強(qiáng)度CCD、微型電腦、IMU、RTK-GPS移動(dòng)站與接收電臺(tái)、路由器、無(wú)線放大器等。地面站部分有地面電腦控制端、RTK-GPS基準(zhǔn)站與發(fā)送電臺(tái)、無(wú)線接收機(jī)等部分。無(wú)人機(jī)載部分和地面站部分通過(guò)無(wú)線和電臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng)的軟件分為無(wú)人機(jī)載電腦軟件和地面電腦軟件,無(wú)人機(jī)載電腦軟件主要承擔(dān)數(shù)據(jù)的采集,預(yù)處理,數(shù)據(jù)保存部分,基于LABVIEW平臺(tái)硬件采集和控制儀器方便的特點(diǎn),開發(fā)基于LABVIEW平臺(tái)的無(wú)人機(jī)載系統(tǒng)軟件,軟件包括激光強(qiáng)度圖像采集、IMU數(shù)據(jù)采集、RTK-GPS數(shù)據(jù)采集,以及激光條紋提取和數(shù)據(jù)保存模塊。地面電腦可通過(guò)同一局域網(wǎng)下遠(yuǎn)程連接控制無(wú)人機(jī)載電腦軟件運(yùn)行。

圖3 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

地面電腦主要承擔(dān)數(shù)據(jù)下載,數(shù)據(jù)解算,點(diǎn)云處理顯示等部分,基于PCL點(diǎn)云庫(kù)、QT框架設(shè)計(jì)雷達(dá)點(diǎn)云處理顯示軟件,軟件包括數(shù)據(jù)下載,水下激光條紋中心提取,點(diǎn)云解算,點(diǎn)云處理和點(diǎn)云顯示模塊。

設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)三維成像系統(tǒng)如圖4所示,采用大疆飛控的六旋翼無(wú)人機(jī),掛載1.5 m碳纖維圓桿,連接桿兩邊分別安裝大恒水星CCD和安裝柱透鏡的1 W、520 nm半導(dǎo)體激光器,并且IMU安裝于CCD上方,RTK-GPS天線安裝于無(wú)人機(jī)上方,微型電腦、無(wú)線路由、GPS電臺(tái)、供電電源等安裝于無(wú)人機(jī)起落架上。

圖4 無(wú)人機(jī)載三維成像系統(tǒng)實(shí)物圖

無(wú)人機(jī)按照航跡飛行時(shí),線掃描系統(tǒng)開始進(jìn)行掃描,地面電腦通過(guò)遠(yuǎn)程桌面控制無(wú)人機(jī)載電腦軟件運(yùn)行,無(wú)人機(jī)載電腦軟件采集處理并保存數(shù)據(jù),保存的數(shù)據(jù)包括IMU數(shù)據(jù),RTK-GPS數(shù)據(jù),激光條紋數(shù)據(jù)與原始激光圖像,其中激光條紋數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)極值法進(jìn)行實(shí)時(shí)提取,提取原始激光圖像激光像素位置信息與強(qiáng)度信息,省去無(wú)用數(shù)據(jù)量占據(jù)的空間,進(jìn)而提高與地面系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。機(jī)載系統(tǒng)軟件可以單獨(dú)運(yùn)行,保存的數(shù)據(jù)保存在機(jī)載電腦上,防止信號(hào)不好的時(shí)候丟失數(shù)據(jù)。地面系統(tǒng)軟件通過(guò)局域網(wǎng)獲取機(jī)載電腦的數(shù)據(jù)文件,傳輸下來(lái)進(jìn)行處理解算,并在QT界面里通過(guò)PCL點(diǎn)云庫(kù)VTK引擎控件顯示出來(lái)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用研制的無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng),在靠近海岸的淺水區(qū)域進(jìn)行水下掃描實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)前完成相機(jī)參數(shù)和光面參數(shù)的標(biāo)定。水下掃描實(shí)驗(yàn),無(wú)人機(jī)的掃描區(qū)域與方向如圖5所示,無(wú)人機(jī)飛行高度10 m,飛行速度為1 m/s,對(duì)水上和水下2 m內(nèi)的目標(biāo),進(jìn)行三維掃描,掃描區(qū)域有水上與水下物體,包括露出水面的石頭與水下海草,水下礁石和水上礁石。

圖5 水下掃描成像目標(biāo)區(qū)域

飛行掃描獲得的一張?jiān)技す鈭D像,截取的激光區(qū)域如圖所示,可以看到水面上物體的強(qiáng)度較高,激光從水面照射到水下在圖像上可以看到明顯的強(qiáng)度上升,圖像中間部分強(qiáng)度較上下兩邊高,并且水下散射強(qiáng)度隨水深逐漸降低,最后打在水下物體上,有比后向散射強(qiáng)的激光條紋,并且強(qiáng)度上升后迅速下降。經(jīng)過(guò)圖像處理以及激光條紋中心提取,提取結(jié)果如圖6所示,其中圖像中的直線為提取的水面激光條紋,直線左邊的條紋為提取的水上物體激光條紋中心,直線右邊的條紋為水下物體的激光條紋中心。

圖6 激光條紋提取結(jié)果

利用激光條紋中心提取的結(jié)果,以及采集的GPS與IMU數(shù)據(jù),軟件根據(jù)相應(yīng)的解算模型進(jìn)行解算,得到掃描點(diǎn)云,賦予點(diǎn)云高程顏色并在QT界面顯示,顯示的點(diǎn)云如圖7所示。掃描得到的點(diǎn)云平均距離分辨率為3 cm,在掃描方向分辨率為3 cm,垂直掃描方向分辨率高于1 cm。并且根據(jù)點(diǎn)云高程圖像可以清楚的分辨水上露出的石頭,水下的海草和水上與水下的礁石。

圖7 點(diǎn)云顯示效果圖

5 結(jié) 論

基于三角法線掃描原理,設(shè)計(jì)了一套無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)三維成像系統(tǒng),提出了水上、水面與水下激光條紋提取的圖像處理方法并構(gòu)建了線激光水下折射三維坐標(biāo)解算模型。利用研制的系統(tǒng)在近海的淺水區(qū)域進(jìn)行掃描,對(duì)水上和水下2 m內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn),掃描點(diǎn)云平均距離分辨率3 cm,掃描方向分辨率3 cm,垂直掃描方向分辨率高于1 cm,并且達(dá)到300 m2/min的掃描速度,且在近海淺水區(qū)域有很好的水下成像效果。該系統(tǒng)具有高精度、低成本、靈活方便,高效的優(yōu)勢(shì)。無(wú)人機(jī)載線線激光掃描方式適用于近海淺水,城市廢墟等復(fù)雜環(huán)境下的快速三維重構(gòu),在淺海探測(cè),森林普查等具有重要的應(yīng)用價(jià)值。