遙控水下機(jī)器人海底資料可視化模型構(gòu)建

1、遙控水下機(jī)器人(ROV海底資料可視化模型構(gòu)建海底地形是海洋地質(zhì)學(xué)、海洋地球物理學(xué)、物理海洋 學(xué)和海洋生物學(xué)等研究的基礎(chǔ)資料。海底地形的復(fù)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(xiàn)多 樣化的重要原因 , 也影響到了海洋水團(tuán)的來源和性質(zhì) ; 另 外，對(duì)海洋資源的數(shù)量及多樣性也有重要影響 ; 對(duì)海洋沉積 物類型的空間分布及厚度影響更為直接形象。海底地形測(cè) 量及可視化是地形數(shù)據(jù)解釋的關(guān)鍵，海底視像調(diào)查是海底 地形觀測(cè)的重要技術(shù)手段。采用 ROV( Remotely Operated Vehicles, )進(jìn)行海底地形視像觀測(cè)，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

2、資料，有極大 的數(shù)據(jù)挖掘潛力。本文介紹了 R0V視像調(diào)查工作手段，評(píng) 述了一種基于工業(yè)軟件的數(shù)據(jù)處理流程，并詳細(xì)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(zhì)調(diào)查提供一種全新的可視化海底地形探 測(cè)手段。一、研究背景目前有多種形式的海底地形測(cè)量方法，其中海底視像 調(diào)查已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于各種各樣的海洋科學(xué)研究中包， 從而成為重要的海底地形測(cè)量方法之一。海底視像調(diào)査是 -6-利用水下攝影設(shè)備對(duì)海底目標(biāo)或局部地形進(jìn)行的直接可視 化的測(cè)量工作 , 目的是確定海底攝影目標(biāo)的形狀、大小、位 置和性質(zhì)，或局部地形的起伏狀態(tài)。水下機(jī)器人（ ROV （ Remotely Op

3、erated Vehicle, 以下簡(jiǎn)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(jī)械手 , 攜帶具有多種用途和功能的聲學(xué)探測(cè)儀器以 及專業(yè)工具進(jìn)行各種復(fù)雜的水下作業(yè)任務(wù)。其中利用 ROV 錄像探測(cè)海底信息并對(duì)海底目標(biāo)物進(jìn)行直接目視觀測(cè)被認(rèn) 為是ROM重要作業(yè)手段之一。傳統(tǒng)上使用的ROV大多應(yīng)用于可視觀測(cè)、攜帶特定傳 感器作業(yè)以及回收實(shí)體樣品等精細(xì)調(diào)查。當(dāng)需要高精度定 位取樣時(shí) , 樣品釆集經(jīng)常依賴于水下定位系統(tǒng)提供的目標(biāo)位 置和攝像機(jī)實(shí)時(shí)傳輸?shù)囊曄裥畔?。由于R0V是定點(diǎn)作業(yè)，釆集的視像信息范圍有限，如果不對(duì)作業(yè)區(qū)提前進(jìn)行全面 的調(diào)査 , 研究人員則沒

4、有把握在科學(xué)或工程上最相關(guān)的區(qū)域 進(jìn)行觀測(cè)或取樣。并且由于所有的攝影設(shè)備都需要裝在密 封的耐壓艙體中，視像觀測(cè)技術(shù)的水下應(yīng)用就出現(xiàn)了一些 重要的問題。比較顯著的是 , 在耐壓艙體中，攝影設(shè)備釆用 的空氣 -玻璃 -水界面是一個(gè)額外的光學(xué)因素 , 光學(xué)測(cè)量也會(huì) 因?yàn)樵S多元件在壓力下變形 , 以一種非線性的方式發(fā)生改 變，從而導(dǎo)致拍攝的視像信息失真電。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TOMW確反映海底信息，為海底地形探測(cè)等各項(xiàng)工作提供更有價(jià)值的信息重要而緊迫的 問題。本文將概述介紹并評(píng)述一種基于第三方軟件的視像資料處理流程。旨在介紹一

5、種 ROV視像資料生成3D可視模型 的處理技術(shù)方法和思路，為我國(guó)今后更好地利用R0V海底視像資料提供參考。從而激發(fā)對(duì)視像調(diào)查制圖工作流程的 開發(fā)，并完成了從 ROV海底現(xiàn)場(chǎng)工作錄像中生成 3D可視模 型的技術(shù)開發(fā)和研究。二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)利用深部海洋資源時(shí)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(diào)養(yǎng)是一種 行之有效的方法。在前期調(diào)查獲取的等深線圖和海底取樣 樣品信息等已有的調(diào)查基礎(chǔ)上，使用 ROV開展作業(yè)，對(duì)需 要開展構(gòu)造的目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，獲得詳細(xì)的調(diào)查資料后 , 利用ROVffl像資料并基于第三方軟件進(jìn)行 3D可視模型構(gòu) 建，能夠?qū)С龌镜囊巴獾刭|(zhì)信息，例如定量的地

6、層學(xué)和 大地構(gòu)造等信息。該工作流程可以獲得海底標(biāo)志物（如海 底露頭）的三維模型，能在地理參照坐標(biāo)系內(nèi)定量測(cè)量節(jié) 理方向、地層構(gòu)造、粒徑大小和像片鑲嵌等。獲得的資料 使得對(duì)海底火山及海底構(gòu)造的解譯從手標(biāo)本尺度發(fā)展到岀 露露頭尺度。整個(gè)操作流程具有穩(wěn)定、可重復(fù)及響應(yīng)迅速且易于使用的特征，可以在海上對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)評(píng)估利用海底視像數(shù)據(jù)重建模型的質(zhì)量主要取決于攝影機(jī) 拍攝的原始視像資料的清晰度，差的圖像質(zhì)量極易導(dǎo)致錯(cuò) 誤的圖像匹配。為獲取海底視像資料和ROV運(yùn)動(dòng)軌跡,R0V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(gè)高質(zhì)量的攝像系統(tǒng)。為調(diào)整立體裝置的光學(xué) 偏差，攝影設(shè)備的耐壓艙

7、體都裝有平坦的玻璃艙門。在視 像調(diào)查時(shí)盡量避免使用可變焦距器件，且只有在焦距被準(zhǔn) 確的錄入日志后才可以調(diào)節(jié)。此外，重建軟件必須能夠把 這些數(shù)據(jù)合并到模型生成的過程中，否則變焦攝影會(huì)被解 譯為接近目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)，致使無法測(cè)量軌跡。攝影機(jī)放置應(yīng) 當(dāng)與目標(biāo)成正交，如果角度大于 45。會(huì)導(dǎo)致構(gòu)建失敗或錯(cuò) 誤。在深海里進(jìn)行視像拍攝時(shí)，應(yīng)讓目標(biāo)物在一的網(wǎng)格上 移動(dòng)，避免快速移動(dòng)。另外，為降低失真，測(cè)量?jī)x器運(yùn)行 軌跡應(yīng)當(dāng)經(jīng)常彼此交叉 , 或者與重要觀測(cè)部位平行。此外， 攝像系統(tǒng)應(yīng)該盡可能的簡(jiǎn)單，可利用焦深鏡頭或者相對(duì)小 孔徑的定焦距進(jìn)行拍攝作業(yè)。ROM水下運(yùn)動(dòng)軌跡的定位系統(tǒng)包含以下部分：多普勒 計(jì)程儀 (DVL

8、), 用來記錄亞厘米分辨率的三維差異運(yùn)動(dòng)軌跡 超短基線定位系統(tǒng)(USBL),與母船底部的USBL天線配合進(jìn) 行ROM精確定位；羅盤提供ROV勺艄向信息；溫鹽深測(cè)量 儀(CTD)采集海水的溫度、鹽度、深度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；姿態(tài)傳 感器反映設(shè)備的姿態(tài)數(shù)據(jù) （ 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(gè)非常密集的計(jì)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 站上處輟據(jù)，本文下一部分將對(duì)整行詳細(xì) 3D 模型構(gòu)建三、數(shù)據(jù)預(yù)處理ROV海底視像資料及其運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)通過ROV水下作業(yè)獲得以后，需要分別進(jìn)行預(yù)處理，否則會(huì)影響到3D模型構(gòu)建的效果，這一步至關(guān)重要，然后才能進(jìn)行3D模型構(gòu)

9、建。ROV的運(yùn)動(dòng)軌跡是重建模型質(zhì)量評(píng)估的唯一參照系數(shù) 據(jù)，通過ROV配置的多普勒計(jì)程儀（DVL）和超短基線定位系 （USBL）來獲得相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì) ROV的航行軌跡進(jìn)行定位處 理得到模擬曲線寫通過對(duì)這兩組傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和插 值運(yùn)算得到相應(yīng)的軌跡圖，通過相互對(duì)比可以得到混合的 運(yùn)載器路徑。特別指出的是，USBL和DVL航行數(shù)據(jù)必須經(jīng)過 精細(xì)地修正，使用半自動(dòng)的數(shù)字圖象處理路線，生成混合 的運(yùn)載器路徑 , 在考慮到各自闊情況下穩(wěn)定兩個(gè)數(shù)據(jù)源 : 兩 個(gè)信號(hào)的 x 和 y 元件都被系統(tǒng)固有的離群值過濾，之后 DVL 的短波部分被復(fù)制到 USBL的長(zhǎng)波部分。此外，由于漂移效 應(yīng)以及使用CTD合并記

10、錄和壓力傳感器的失效通道 ，DVL信 號(hào)垂直部分需要修正。為利用ROV的海底視像資料進(jìn)行 3D模型重建，研究人員開發(fā)了一 * 全新的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作流程。四、視像重建為進(jìn)行視頻和圖像的模型重建，釆用了第三方軟件Agisoft 的航空攝影測(cè)量軟件 （PhotoscanProfessional） 進(jìn) 行輔助建供了 _套完整的工作流程，包括完整的核心重建、 輸入圖像預(yù)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(yè)時(shí)的攝像機(jī)狀態(tài)（例如位置和方向）。這個(gè) 軟件首先嘗試通過 f 合適的精確的七個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行地理 參照。在第二步中，重建的幾何體和攝像機(jī)狀態(tài)受到 ROV 運(yùn)動(dòng)軌跡非線性最優(yōu)化過程的影

11、響，對(duì)于所有的狀態(tài)，模 型會(huì)計(jì)算偏差的程度和均方根誤差值。隨后，將圖像從攝 像機(jī)狀態(tài)重投影 , 通過模型表面之后，圖像結(jié)構(gòu)可以作為正 射影像拼接輸出。重疊區(qū)域由紋理混合規(guī)則來處理，可通 過從投影到給定表面坐標(biāo)的 _系列重疊像素中選取最亮的可 用像素來獲得 *? 的結(jié)果。對(duì)強(qiáng)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(jié)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(jìn)一步解釋的攝影機(jī)位置在 Autodesk3ds 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(shù) （ 相對(duì)目標(biāo)的攝影機(jī)位置尤 為重要 ）

12、 和固有的攝影機(jī)參數(shù) （ 鏡頭到傳感器的光途徑的描 -6-述） 。只有在具有固有參數(shù)和一些最基本的外部信息，如攝 影機(jī)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。五、模型解釋為測(cè)量平面結(jié)構(gòu)如斷層、節(jié)理或地層層面等信息，可 在該模型中運(yùn)用二維的 Autodesk" 剖面對(duì)象”。調(diào)整“剖面 對(duì)象”的方位使模型化的海底交叉點(diǎn)與地質(zhì)結(jié)構(gòu)相匹配。 模型上的面消減的越多，測(cè)量就越準(zhǔn)確。這個(gè)操作具有以 下優(yōu)勢(shì) : 首先可以在結(jié)構(gòu)不明確邊界 （ 例如粗糙礫石的海岸 ） 也能夠精確的確定該結(jié)構(gòu)的層位，其次它擴(kuò)大了可進(jìn)行層 位測(cè)量的取樣區(qū)，從而可以進(jìn)行具有代表性的“均向和傾 向”測(cè)量而不僅是

13、單個(gè)點(diǎn)測(cè)量。可以在“主剖面圖”上沿 著露頭模型，把定向“剖面 X 掾”劃分成幾個(gè)部分，然后 根據(jù)露頭實(shí)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(zhì)剖面。在數(shù)據(jù)處理技巧上，可以通過在模型中的碎屑巖周圍 創(chuàng)建合適的球體、橢圓及方形來測(cè)量結(jié)晶粒度，并沿著相 應(yīng)的參照坐標(biāo)軸讀取目標(biāo)物的大小。結(jié)合多種單體測(cè)量技 術(shù)，把目標(biāo)物成批重命名并聚合在 _起，然后將這些聚合體 放在可見層中，從而實(shí)現(xiàn)了批量處理。六、可視化 主要用 3dsMax 創(chuàng)建用于實(shí)時(shí)可視化軟件的模型。為了 從模型中獲得定量的地質(zhì)信息，釆用以下基本路線 :1) 創(chuàng)造 Autodesk3dsMax 幫助 X 嫁;2) 測(cè)量和整合數(shù)據(jù)以匹

14、配待測(cè)量 的地質(zhì)特性 ;3) 讀取幫助對(duì)象的各個(gè)特性。這一系列操作之 后就可以產(chǎn)生精確可視的信息。X權(quán)型進(jìn)行定量評(píng)估后，研究人員通過適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)可視 化來加強(qiáng)質(zhì)量分析。特別是ROV可視數(shù)據(jù)通常在地質(zhì)非相關(guān)的臨時(shí)維度 ( 時(shí)間標(biāo)記而不是地理參照 ) 對(duì)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(yùn)用3D模型調(diào)取ROV可視數(shù)據(jù)集到相關(guān)的地理架構(gòu)內(nèi)，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(tái)也可以應(yīng)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(zhì)圖層； Fledermaus 能夠結(jié)合海底測(cè)深 數(shù)據(jù)在四維空間展示大部分的GIS

15、地層; 虛擬地球如GoogleEarth 和 WordWideTelescope 能識(shí)別海底結(jié)構(gòu)分布 , 并直接從圖像瀏覽中輸出。七、結(jié)論本文所論述的海底視像調(diào)查資料處理工作流程，經(jīng)過 驗(yàn)證 , 整個(gè)操作流程具有穩(wěn)定、可重復(fù)及響應(yīng)迅速且易于使 用的特征 , 可以在海上對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)評(píng)估，應(yīng)用該操作 流程可以把現(xiàn)場(chǎng)ROV視像資料變?yōu)榭商峁└嘤杏玫牡刭|(zhì) 學(xué)和定量的信息而不是視頻幀了，這是 ? 全新的利用現(xiàn)場(chǎng)ROV視像資料的思路。通過3D可視模型構(gòu)建，能夠?qū)С龌镜囊巴獾刭|(zhì)信 息，如定量的地層學(xué)和大地構(gòu)造等信息。該工作流程可以 獲得海底標(biāo)志物 （如海底露頭 ） 的三維模型，并能在地理參 照坐標(biāo)系內(nèi)定量測(cè)量節(jié)理方向、地層構(gòu)造、粒徑大小和像 片臓等。近年