UUV光视觉图像的稳像方法研究

摘要

无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)在近海底自主作业过程中，其良好的环境感知能力是其必须要具备的关键能力之一，其中声视觉与光视觉系统是UUV感知外部环境的两种重要手段，而光视觉系统能够相对完整的提供目标信息并引导UUV准确地识别并定位目标。在视觉测量环节的图像稳像方面，视觉图像的稳像是视觉测量不可忽视的重要研究内容，它有助于抑制作业目标图像因UUV因不同原因所引起的抖动，提高输出图像质量。
　　首先，详细介绍了UUV光视觉系统的硬件构成（包含水下摄像机、图像采集卡、水下照明灯）以及它们在UUV上的配装方案。然后介绍了水下摄像机的成像模型以及常用的几种坐标系与它们之间的转换关系，同时对图像序列模糊的原因进行了分析与分类，接着对单帧图像建立模型以及它的变换模型。最后，对稳像过程中的运动估计原理与运动矢量求解几种方法等基本环节进行了分析，为了增强处理后图像的稳定性，介绍了几种常用的运动滤波方法。
　　其次，对基于UUV视觉图像全局信息的稳像方法进行了研究。首先，由于水下成像环境与空气中较为不同，图像质量下降，因此为了针对水下图像噪声大、灰白效应严重以及模糊问题，设计平滑滤波器并使用直方图均衡化等方法，增强水下图像的对比度，使图像细节更明显，便于后续进行的图像特征匹配。将视频图像的随机振动分为两类，针对图像的慢速振动提出了块匹配方法，并根据SAD匹配准则求取最小MAD值得到匹配点，同时根据不同的搜索路径将它们区分为FS法、TSS法以及DS法等算法，通过比较可以发现它们之间的优缺点。然后，对于图像的快速振动，给出了针对图像行列值灰度信息的投影相关度的算法，并提出了相关度曲线极值的搜索方法。
　　再次，针对光视觉图像中的局部特征信息，提出了基于图像特征信息的稳像方法。首先对水下目标可能包含的特征量加以分析，包含直线、边缘以及特征点等量，与此同时给出了它们的描述形式。然后提出了针对图像特征点的稳像算法，为了求取特征点，使用了Harris算子对角点进行检测，最后利用特征描述子生成特征向量，然后消除了特征点之间的误匹配，最后根据所匹配的特征点求解帧间图像的运动矢量。
　　最后，为了模拟真实的水下环境搭建了试验平台，在水池内完成了对目标图像的采集，并根据前几章的算法完成了序列图像的稳像试验，在得到结果后绘制了帧间图像的运动矢量曲线，并给出了描述稳像效果的MAD与PSNR值作为衡量，最终绘制了较为典型稳像算法的MAD与PSNR曲线，验证了算法的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 稳像技术简介及国内外研究现状

1．2．1 稳像技术简介

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．3 水下视觉图像技术研究现状

1．4 论文的主要内容与组织结构

第2章 UUV视觉系统的构成与图像稳像原理

2．1 引言

2．2 UUV光视觉系统硬件构成

2．2．1 水下单目摄像机

2．2．2 图像采集卡

2．2．3 水下照明灯

2．2．4 水下视觉系统的集成

2．3 UUV图像序列的模型

2．3．1 摄像机成像模型

2．3．2 UUV图像运动的变换模型

2．3．3 UUV视频序列模糊分析

2．4 UUV视频图像的稳像原理

2．4．1 UUV视频图像运动估计的基本原理

2．4．2 UUV视频图像运动矢量的估计方法

2．4．3 UUV视频图像稳像的运动补偿方法

2．4．4 运动矢量滤波方法

2．5 本章小结

第3章 基于UUV视觉图像全局信息的稳像方法

3．1 引言

3．2 水下目标图像预处理

3．2．1 水下图像成像特点分析

3．3．2 水下图像增强预处理

3．2 慢速振动时UUV视频图像运动矢量的提取方法

3．2．1 图像运动矢量的提取方法

3．2．2 匹配准则

3．2．3 匹配块搜索方法

3．3 全局运动矢量的计算

3．4 快速振动时UUV视频图像的稳像方法

3．4．1 UUV视频图像的行列灰度映射

3．4．2 帧间图像的运动矢量估计

3．4．3 搜索算法的选取

3．4．4 分区映射策略

3．5 小结

第4章 基于UUV视觉图像特征信息的稳像方法

4．1 引言

4．2 UUV水下图像特征信息描述

4．2．1 水下图像的边缘特征与检测

4．2．2 水下特征点检测与匹配

4．3 基于图像特征点信息的稳像流程

4．4 基于特征点的全局运动矢量提取

4．5 小结

第5章 UUV视觉图像稳像试验及评价

5．1 引言

5．2 模拟实验环境组成

5．3 水下视觉图像评价方法

5．3．1 稳像质量的客观评价方法

5．3．2 稳像质量的主观评价方法

5．3 UUV视觉图像稳像试验

5．3．1 图像快速平移时的稳像试验

5．3．2 图像慢速平移时的稳像试验

5．3．3 试验结果总结与分析

5．4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢