專利名稱：用單臂爬壁機器人實現船舶水尺圖像立體拍攝的方法
技術領域：
本發明提供一種用單臂爬壁機器人實現船舶水尺圖像立體拍攝的方法。
背景技術：
在船舶載重量和相關狀態參數計量過程中，水尺測量是極為關鍵的一個步驟。隨著圖像處理技術應用到船舶吃水自動檢測系統中，獲取真實的船舶水尺圖像就顯得尤為重要。首先必須采集到高質量的船舶水尺圖像，才可能采用圖像處理技術進行精密檢測，這對 于提高水尺的計量精度具有重要的理論意義和應用價值。目前船舶水尺圖像的采集主要是用圖像采集裝置在船舶的港口側獲得船舶一側水尺圖像，在船舶的海水側以小船為載體獲得船舶的另一側水尺圖像。由于被測船舶及測量用船舶都受到了波浪的影響，將會降低水尺圖像真實性，同時也影響后續的測量結果。考慮到采集水尺圖像的特殊性，可以以單臂爬壁機器人為圖像采集裝置的載體采集船舶水尺圖像。目前現有的圖像處理過程都著重強調了水線的檢測與倒影細節的處理等等，忽略了船舶形狀對成像的影響以及由此帶來的二維成像中數字字符扭曲變形對測量精度的影響。隨著平面圖像立體化技術成為國內外相關領域的研究熱點，可利用船舶水尺立體拍攝方法降低船舶形狀等因素對檢測精度的影響，但如何獲得有利于平面圖像立體化的場景二維圖像就成了船舶水尺圖像立體化過程的難題。現今獲取場景二維圖像的方法主要有雙機法和單機法兩大類。雙機法是將兩架相機放在同一水平線上，相隔6. 5cm，同時曝光便可；單機法是用一架相機在一定距離的同一水平線上相繼拍兩次或者更多次的方法。這兩種方法都是基于雙目視差原理獲得不同角度的場景圖像。由于船舶水尺拍攝系統拍攝的是靜止的大視場，基于降低成本和使用便捷，采用單機法實現船舶水尺二維圖像的采集。然而，在現有技術中，無論采用單機法還是雙機法，操作上均較為復雜，可控性較差，容易受到外界環境因素的影響，也不容易準確獲得船舶水尺不同視角的圖像。特別地，在現有技術中，在對船舶水尺圖像進行采集的過程中，港口側和海水側采集環境的不同，使用現有的采集方法受外界環境因素影響較大，獲得的圖像質量層次不一，只能進行定性分析。

發明內容
本發明提供一種用單臂爬壁機器人實現船舶水尺圖像立體拍攝的方法，旨在克服上文所述的現有技術中存在的缺陷。具體而言，本發明提供一種用單臂爬壁機器人實現船舶水尺圖像立體拍攝的方法，機器人本體附著在船舶外表面上，能夠沿著船舶外表面移動，從機器人本體伸出一機器人臂，該機器人臂在其自由端上固定有攝像機，由攝像機對船舶水尺進行立體拍攝，所述方法包括如下步驟機器人檢測步驟對機器人進行初始狀態的檢查；攝像確定步驟確定攝像機的相關攝像參數；機器人運動控制步驟通過操作終端遙控機器人使機器人在船舶外表面移動；水尺字符發現步驟通過機器人在船舶外表面移動，使水尺字符位于攝像機的拍攝圖像中；直方圖檢測步驟對攝像機拍攝圖像進行直方圖檢測，確定圖像中是否含有水面區域，此時機器人自動調整直至水面區域位于圖像中；邊緣檢測步驟對拍攝圖像進行邊緣檢測，以得到規范化的水尺圖像，使所拍攝的水面區域占拍攝圖像的適當比例；立體圖像對記錄步驟根據水尺字符在船舶表面上的位置，水平移動機器人記錄包含水尺字符的拍攝圖像的一幅或多幅立體圖像對；數據存儲步驟將所述一幅或多幅立體圖像對的相應數據進行存儲，從而為圖像立體化提供二維場景圖像。優選地，所述機器人檢測步驟包括確定機器人狀態是否良好，確保不會因船舶外表面的不良物質而造成機器人吸附能力降低。 優選地，所述攝像確定步驟包括確定并調整機器人臂長度、攝像機垂直視角、攝像機垂直視野高度。

優選地，在所述水尺字符發現步驟中，采用一顯示面板通信連接至攝像機，使攝像機拍攝圖像顯示在該顯示面板中，以便相應調整拍攝圖像。優選地，在所述水尺字符發現步驟中，調整圖像使水尺字符位于拍攝圖像的中間位置。更優選地，在直方圖檢測步驟中，機器人在船舶外表面行動，實時獲得攝像機的視野范圍，當顯示面板中出現水尺字符時，通過人為調整機器人，使水尺字符位于拍攝圖像的垂直方向上的合適位置。優選地，在直方圖檢測步驟中，如果由拍攝圖像獲得的直方圖顯示只有一個峰值，表明在攝像機視野范圍內只呈現船舶表面，則調整機器人垂直向下移動，在此移動期間每隔一定時間進行一次直方圖檢測，直至直方圖上顯示的檢測結果出現兩個峰值，則確定拍攝圖像既呈現船舶表面也呈現水面區域。優選地，所述邊緣檢測步驟通過SUSAN算子或小波過零檢測來實現。優選地，在立體圖像對記錄步驟中，首先記錄下拍攝圖像的左視圖，隨后在攝像機角度參數不變的情況下，調整機器人向右方向水平移動一定距離，此時記錄拍攝圖像的右視圖，從而獲得立體圖像對。本發明的上述單臂爬壁機器人拍攝方法操作簡單、可控性好、受外界環境因素影響小，可以準確獲得船舶水尺不同視角圖像的方法，可降低人為因素對后續圖像處理的影響，可解決船舶形狀等客觀因素對檢測結果的影響。


圖I示出根據本發明的一實施例的圖像采集裝置的結構示意圖；圖2示出根據本發明的一種用單臂爬壁機器人實現船舶水尺圖像立體拍攝的方法的流程圖；圖3和4示出了根據本發明實施例所顯示的兩種直方圖；圖5a和5b示出在邊緣檢測前后所示的拍攝圖像。
具體實施例方式在下文中，相同的附圖標記指代相同的元件。
本發明考慮采用單臂爬壁機器人作為攝像系統的載體來實現船舶水尺圖像立體拍攝。圖I示出根據本發明的一實施例的圖像采集裝置的結構示意圖。如圖I所示，機器人本體I附著在船舶外表面3上，可沿著船舶外表面3移動。從機器人本體I伸出一機器人臂4，該機器人臂4在其自由端上固定有攝像機2，由攝像機2對船舶水尺進行立體拍攝。優選地，機器人臂4伸出長度可以為I米，機器人臂4與機器人本體I之間所成的角度可為53. 13°。攝像機可以采用1/2”(XD，1628X1236的相機，5毫米焦距的鏡頭，該攝像機的垂直視角為51.2°。可以調整攝像機，使攝像機光軸5與機器人臂4成適當角度，例如71. 8°。如采用如上例示的數據，可計算得出攝像機的視野垂直高度約為I. 5米。根據攝像機的不同拍攝系統，可以重新確定上述角度參數。采用上述結構，通過合理調節，就為獲得規范化的水尺圖像做好準備。
圖2示出根據本發明的一種用單臂爬壁機器人實現船舶水尺圖像立體拍攝的方法的流程圖。本方法利用單臂爬壁機器人為載體以平行立體攝像模式模擬人類視覺感知三維外景，在水平方向上相隔一定距離先后分別記錄外景的左右視圖。上述方法包括如下步驟機器人檢測步驟100如圖I所示，在檢測步驟100中，進行機器人狀態檢測。在該步驟中，對機器人進行初始狀態的檢查，例如，確定機器人狀態是否良好，確保不會因船舶外表面的灰塵、鹽分等其他不良物質而造成機器人吸附能力降低，從而避免機器人自身的缺陷而在后續操作過程中處于危險狀態。攝像確定步驟101如圖I所不，在檢測步驟100之后進入攝像確定步驟101,確定攝像機的相關攝像參數。如上文在介紹機器人結構時所述，確定并調整機器人臂長度、攝像機垂直視角、攝像機垂直視野高度。需要注意的是，單臂爬壁機器人在獲取規范圖像的過程中機器人臂與攝像機光軸和機器人本體分別成一定的角度，為了便于圖像立體化，在機器人移動過程中攝像機不能改變上述角度的大小。機器人運動控制步驟102在攝像確定步驟101之后進入機器人運動控制步驟102。在該步驟中，通過操作終端遙控機器人使機器人在船舶外表面移動。水尺字符發現步驟103通過操作終端遙控機器人使機器人在船舶外表面移動，以使水尺字符位于攝像機拍攝圖像中，優選地，調整圖像使水尺字符大致位于圖像的中間位置。例如，可以采用一顯示面板通信連接至攝像機，使攝像機拍攝圖像顯示在該顯示面板中，以便操作人員對拍攝圖像進行相應調整。盲方圖檢測步驟104對攝像機拍攝圖像進行直方圖檢測，確定圖像中是否含有水面區域，此時機器人可以自動調整直至水面區域位于圖像中。優選地，機器人在船舶外表面行動，實時獲得攝像機的視野范圍，當顯示面板中出現水尺字符時，通過人為調整機器人，使水尺字符盡可能位于拍攝圖像的垂直方向上的合適位置(例如，中間位置)。上述調整完成之后，對圖像進行直方圖統計。圖3示出了根據本發明實施例所顯示的一種直方圖。如圖3所示，直方圖顯示只有一個峰值，這表明在攝像機視野范圍內只呈現船舶表面，而并不呈現水面區域。在圖3所示直方圖的基礎上進一步調整機器人垂直向下移動，在此移動期間每隔一定時間(例如10秒鐘)進行一次直方圖檢測，直至直方圖上顯示的檢測結果出現如圖4所示的兩個峰值，則確定拍攝圖像既呈現船舶表面(特別呈現出水尺字符)也呈現水面區域。邊緣檢測步驟105在直方圖檢測步驟104之后進入邊緣檢測步驟105。邊緣檢測例如可以通過SUSAN算子或小波過零檢測來實現。對拍攝圖像進行邊緣檢測，以得到規范化的水尺圖像，使所拍攝的水面區域占拍攝圖像的適當比例(例如1/3)。規范化的拍攝圖像可以有效降低隨后進行的水尺圖像檢測的難度。 圖5a示出在邊緣檢測之前所示的拍攝圖像。圖5a中呈現有水面區域以及包含水尺字符的船舶表面。然而，如圖5a所示，此時的水面區域在拍攝圖像中所占的比例較低，為此需要進行調整。圖5b顯示出在邊緣檢測之后所示的拍攝圖像。如圖5b所示，水面區域在拍攝圖像中占據的比例明顯變高。優選地，可以通過確定水線所在區域大致位于拍攝圖像中的行數來判定拍攝圖像是否規范化。例如，對拍攝圖像進行水線邊緣檢測并確定水線所在區域大致位于圖像中的行數，當水線位于824行上下20行的區域內時，此時攝像機所對的視野為I. 5米高的水尺區域，即為規范化的拍攝圖像。立體圖像對記錄步驟106隨后，根據水尺字符在船舶表面上的位置，水平移動機器人記錄包含水尺字符的拍攝圖像的立體圖像對，例如左右視圖。可以先記錄左視圖再記錄右視圖，也可以先記錄右視圖再記錄左視圖。例如，首先記錄下拍攝圖像的左視圖，隨后在攝像機角度參數不變的情況下，為了得到立體圖像對，調整機器人向右方向水平移動一定距離(例如，O. 4米)，此時記錄拍攝圖像的右視圖。優選地，為了使后續的三維重建更加準確，可以將機器人在水平移動的過程中對稱地記錄多幅水尺立體圖像對。數據存儲步驟107在使用機器人實現了對船舶水尺圖像的立體拍攝之后，將上述一幅或多幅立體圖像對的相應數據進行存儲，從而為圖像立體化提供二維場景圖像。如上述各步驟所述，通過簡單的直方圖檢測與邊緣檢測，可使攝像系統得到規范化的水尺圖像，可降低后續圖像處理的復雜度；利用單臂爬壁機器人為攝像系統的載體，可準確真實的獲得船舶外水尺的圖像，也可解決在圖像采集過程中因人為因素影響圖像質量的困難，并且攝像系統的參數能夠準確計算，為水尺圖像的立體化奠定了基礎。綜上所述，由于圖像的采集過程、船舶形狀及對水尺字符的扭曲變形直接影響水尺計量的結果，因此通過采用根據本發明的單臂爬壁機器人可以有效地實現船舶水尺圖像立體拍攝方法來獲得圖像的立體圖像對，以便下一步進行立體化。
具體而言，利用爬壁機器人在船舶表面移動，統一了采集環境，且受外界環境影響較小，也不會因人為因素增加干擾。另外，利用單臂爬壁機器人確保了立體成像對所采用的攝像系統參數一致，由此而獲得規范化的船舶水尺圖像。而且，利用圖像的直方圖檢測與邊緣檢測的結果使機器人調整攝像系統的視野區域，降低了后續圖像處理的復雜度。進一步，用單臂爬壁機器人實現船舶水尺立體成像方法操作過程簡單，容易實現，參數直觀，有利于后續的立體化與圖像處理、分析與理解。特別地，本發明的上述方法能夠準確地獲得船舶水尺的立體圖像對。利用單臂爬壁機器人作為攝像系統的載體，保證了攝像機的自平衡性能，聚焦性能、變焦性能、幾何失真、增益控制、光圈控制、會聚控制和視差控制都非常精密的一致，使攝像系統的內部參數能夠通過精確計算確定，并且由于機器人的運動只是簡單的水平移動，因此攝像系統的運動參數也可確定，有利于以平面圖像立體化技術實現圖像立體化。
本領域技術人員還可以理解的是，本發明的保護范圍并不僅限于上述實施例，所有對本發明的等同變換均落在本發明的范圍內。
權利要求
1.一種用單臂爬壁機器人實現船舶水尺圖像立體拍攝的方法，其特征在于，機器人本體附著在船舶外表面上，能夠沿著船舶外表面移動，從機器人本體伸出一機器人臂，該機器人臂在其自由端上固定有攝像機，由攝像機對船舶水尺進行立體拍攝，所述方法包括如下步驟 機器人檢測步驟對機器人進行初始狀態的檢查； 攝像確定步驟確定攝像機的相關攝像參數； 機器人運動控制步驟通過操作終端遙控機器人使機器人在船舶外表面移動； 水尺字符發現步驟通過機器人在船舶外表面移動，使水尺字符位于攝像機的拍攝圖像中； 直方圖檢測步驟對攝像機拍攝圖像進行直方圖檢測，確定圖像中是否含有水面區域，此時機器人自動調整直至水面區域位于圖像中； 邊緣檢測步驟對拍攝圖像進行邊緣檢測，以得到規范化的水尺圖像，使所拍攝的水面區域占拍攝圖像的適當比例； 立體圖像對記錄步驟根據水尺字符在船舶表面上的位置，水平移動機器人記錄包含水尺字符的拍攝圖像的一幅或多幅立體圖像對； 數據存儲步驟將所述一幅或多幅立體圖像對的相應數據進行存儲，從而為圖像立體化提供二維場景圖像。
2.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述機器人檢測步驟包括確定機器人狀態是否良好，確保不會因船舶外表面的不良物質而造成機器人吸附能力降低。
3.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述攝像確定步驟包括確定并調整機器人臂長度、攝像機垂直視角、攝像機垂直視野高度。
4.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，在所述水尺字符發現步驟中，采用一顯示面板通信連接至攝像機，使攝像機拍攝圖像顯示在該顯示面板中，以便相應調整拍攝圖像。
5.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，在所述水尺字符發現步驟中，調整圖像使水尺字符位于拍攝圖像的中間位置。
6.根據權利要求4所述的方法，其特征在于，在直方圖檢測步驟中，機器人在船舶外表面行動，實時獲得攝像機的視野范圍，當顯示面板中出現水尺字符時，通過人為調整機器人，使水尺字符位于拍攝圖像的垂直方向上的合適位置。
7.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，在直方圖檢測步驟中，如果由拍攝圖像獲得的直方圖顯示只有一個峰值，表明在攝像機視野范圍內只呈現船舶表面，則調整機器人垂直向下移動，在此移動期間每隔一定時間進行一次直方圖檢測，直至直方圖上顯示的檢測結果出現兩個峰值，則確定拍攝圖像既呈現船舶表面也呈現水面區域。
8.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，所述邊緣檢測步驟通過SUSAN算子或小波過零檢測來實現。
9.根據權利要求I所述的方法，其特征在于，在立體圖像對記錄步驟中，首先記錄下拍攝圖像的左視圖，隨后在攝像機角度參數不變的情況下，調整機器人向右方向水平移動一定距尚,此時記錄拍攝圖像的右視圖，從而獲得立體圖像對。
全文摘要
本發明提供一種用單臂爬壁機器人實現船舶水尺圖像立體拍攝的方法，包括機器人檢測步驟、攝像確定步驟、機器人運動控制步驟、水尺字符發現步驟、直方圖檢測步驟、邊緣檢測步驟、立體圖像對記錄步驟、數據存儲步驟。上述單臂爬壁機器人拍攝方法操作簡單、可控性好、受外界環境因素影響小，可以準確獲得船舶水尺不同視角圖像的方法，可降低人為因素對后續圖像處理的影響，可解決船舶形狀等客觀因素對檢測結果的影響。
文檔編號B63C11/52GK102826209SQ201210276310
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月3日 優先權日2012年8月3日
發明者王萬耀, 許文海, 谷紅偉, 張海昕, 張永紅, 張望, 吳青松, 王子乾, 劉宇, 秦宇, 劉岱楠 申請人:中國神華能源股份有限公司, 神華銷售集團有限公司, 北京神華昌運高技術配煤有限公司