面向水下機(jī)器人的水下目標(biāo)檢測(cè)算法研究.pdf

1、深藍(lán)色的海洋一直是一個(gè)令人充滿好奇和想象力的地方。近年來(lái)人類(lèi)一直在努力探索和利用這片神秘的世界。水下機(jī)器人的出現(xiàn)提高了我們了解海底世界的能力。以有纜水下機(jī)器人(ROV)和無(wú)纜水下機(jī)器人(AUV)為代表的水下移動(dòng)機(jī)器人,廣泛應(yīng)用于科學(xué)和軍事任務(wù)的搜索和調(diào)查、海洋工程服務(wù)、測(cè)試和評(píng)估,其中,水下目標(biāo)檢測(cè)是完成這一系列水下工作任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)。
　　由于視覺(jué)系統(tǒng)的高分辨率和低成本,許多水下機(jī)器人使用視覺(jué)系統(tǒng)作為主要傳感機(jī)制。為了獲取廣闊的

2、視野,廣角攝像機(jī)在水下機(jī)器人領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。
　　然而,目前國(guó)內(nèi)廣角視覺(jué)系統(tǒng)發(fā)展的還很不成熟,采用廣角攝像機(jī)存在著圖像畸變等問(wèn)題。在海水中,光線的吸收和散射特性,使視覺(jué)任務(wù)更加困難。在水下的特定環(huán)境中,機(jī)器人識(shí)別人造目標(biāo),人造目標(biāo)上都有一些基本的特征,其中形狀和顏色是最常見(jiàn)的特征。由于水下圖像受到低對(duì)比度、非均勻光照等影響,水下目標(biāo)通常運(yùn)用基于形狀的目標(biāo)檢測(cè)算法進(jìn)行檢測(cè)。雖然相比于陸地上,顏色很少作為水下目標(biāo)的特性,但由于顏

3、色本身所固有的對(duì)尺度變化、目標(biāo)位置變化、以及局部遮擋的魯棒性,使得顏色成為一個(gè)簡(jiǎn)單有力而且非?？煽康男畔⑻卣鳌Ｈ欢谒?由于衰減的存在,使得顏色隨著距離的變化而變化,不少學(xué)者通過(guò)嵌入合適的照明系統(tǒng)或通過(guò)估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)物體表面的反射光譜來(lái)解決這一問(wèn)題。這些方法雖然能夠很好實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)但是需要額外的設(shè)備或者先驗(yàn)知識(shí),限制了光自主機(jī)器人的目標(biāo)檢測(cè)。因此研究如何解決廣角畸變的校正以及如何實(shí)現(xiàn)快速、魯棒的基于顏色的水下目標(biāo)檢測(cè)具有重要的意義。

4、　　本論文以水下機(jī)器人(ROV)平臺(tái)的視覺(jué)為研究對(duì)象,針對(duì)水下目標(biāo)檢測(cè)的關(guān)鍵理論問(wèn)題進(jìn)行了研究,基于近年來(lái)國(guó)內(nèi)外的研究成果,對(duì)高精度廣角畸變的校正、衰減系數(shù)的求解以及基于顏色的目標(biāo)檢測(cè)算法進(jìn)行了重點(diǎn)研究和實(shí)驗(yàn)。在復(fù)雜的水環(huán)境下,提出了一定的改進(jìn)算法,提高了水下目標(biāo)檢測(cè)的魯棒性和準(zhǔn)確性。本文的主要研究工作如下:
　　1)針廣角攝像機(jī)存在圖像畸變等問(wèn)題,本文以基于二維平面的標(biāo)定方法為研究基礎(chǔ),重點(diǎn)研究了標(biāo)定靶的角點(diǎn)檢測(cè)算法,提出了一種

5、基于梯度重心法(COG)的角點(diǎn)檢測(cè)優(yōu)算法。利用梯度值的平方作為權(quán)重因子,基于重心法實(shí)現(xiàn)角點(diǎn)坐標(biāo)的優(yōu)化,從而通過(guò)提高角點(diǎn)坐標(biāo)的精確度,來(lái)提高攝像機(jī)標(biāo)定的精確度和魯棒性,進(jìn)而提高廣角畸變校正的精確度和魯棒性。通過(guò)角點(diǎn)檢測(cè)的重復(fù)率實(shí)驗(yàn)、攝像機(jī)標(biāo)定重投影試驗(yàn)以及廣角畸變校正結(jié)果的對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證了本文所提優(yōu)化算法具有較高的精確度和魯棒性。
　　2)針對(duì)基于顏色的水下目標(biāo)檢測(cè)的傳統(tǒng)算法需采用額外設(shè)備或者先驗(yàn)知識(shí)的缺點(diǎn),學(xué)習(xí)水下顏色變化的經(jīng)典模

6、型,并重點(diǎn)研究分析了利用衰減系數(shù)實(shí)現(xiàn)基于顏色的水下目標(biāo)檢測(cè)的算法?；诮陙?lái)國(guó)內(nèi)外的研究成果,實(shí)現(xiàn)了一種基于不同距離目標(biāo)圖片的簡(jiǎn)單有效的水下衰減系數(shù)的求解算法,進(jìn)而利用衰減系數(shù)實(shí)現(xiàn)基于顏色的水下目標(biāo)檢測(cè),并且通過(guò)增加限制條件,進(jìn)一步優(yōu)化目標(biāo)檢測(cè)效果,從而實(shí)現(xiàn)了一種快速、魯棒的基于顏色的水下目標(biāo)檢測(cè)算法。
　　3)基于 Matlab工具箱實(shí)現(xiàn)本文算法。首先利用 Bazeille等人所提供的水下圖片,進(jìn)行水下目標(biāo)檢測(cè)的試驗(yàn),以檢驗(yàn)改進(jìn)