基于多载波调制和水声通信的水下光学视觉成像方法和机器人

本发明涉及水下光学成像领域，尤其涉及一种基于多载波调制和水声通信的水下光学视觉成像方法。

背景技术：

1、随着人口数量的增长，陆地可利用资源变得越来越少，人们的视线开始转向海洋，步入21世纪，海洋业发展迅猛，海洋资源开发与环境勘探尤为重要，一种新型自主性水下机器人(autonomous underwater vehicle,auv)成为开采海洋资源的水下工具。由于水下环境未知且复杂，水下机器人自主作业变得极为必要，然而受环境感知技术和路径规划等技术的限制，当前水下机器人的智能化程度低，难以满足实际的使用要求。常见的水下感知传感器主要是声呐和视觉传感器。声呐适合在大范围的环境中使用，但在小范围的环境工作时容易受到干扰，出现模糊问题，精度较差。而视觉传感器适合在小范围的环境中使用，具有分辨率高、近距离使用时精度高等特点，但在远距离时存在视野受限、精度下降的问题。水下机器人作为水下作业设备，对水下目标的识别、检测以及跟踪定位等向来是视觉系统研究重点，且水下光学成像是人类获取海洋信息的重要途径之一，如何提高水下机器人远距离视觉成像的精确度和稳定性，一直都是一个难题。

技术实现思路

1、本发明针对提高水下机器人远距离视觉成像的精确度和稳定性的问题，提出一种基于多载波调制和水声通信的水下光学视觉成像方法，所述方法包括：

2、s1：采集水下图像，将所述水下图像根据mpeg-2图像压缩标准进行存储；

3、s2：将存储的水下图像进行视觉分析，获取显著图像；

4、s3：采用图像分割技术提取显著图像中水下目标，获取目标的二值化掩码图像；

5、s4：根据正交振幅调制信号和多载波调制技术将所述目标的二值化掩码图像进行成像；

6、s5：将步骤s4中的成像数据通过格雷映射编码调制，存储为成波形文件通过声卡将数字信号转换为模拟信号，并将所述模拟信号通过功率放大器进行放大；

7、s6：水听器接收放大器放大的模拟信号，通过声卡采集数据，并将采集到的数据存储为波形文件；

8、s7：对波形文件进行解调和解码，将解调和解码后的数据根据原始图像的格式进行处理和合成，恢复成原始的图像文件。

9、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s1中采用jaffe-mcglamery模型采集水下图像信息，所述jaffe-mcglamery模型为：

10、

11、其中，与物体距离为rc处的(x,y)处的直接分量，为物体在处的反射光强度；为物体在处的反射率；为相机的投射比；为相机的焦距；为相机的光圈系数；为反射光线与反射平面的夹角。

12、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s1还包括采用双目相机进行水下图像场景定位，采用张正友标定法对双目相机的内参和外参进行标定。

13、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s2包括：

14、采用itti模型提取水下图像中颜色、亮度和方向特征；

15、根据提取的特征和水下视觉特点构建显著性图；

16、所述水下视觉特点包括光线亮度的敏感性、颜色的敏感度、对深度的敏感性和对对比度的敏感性。

17、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s4包括：

18、

19、其中，代表正交振幅调制，ts为码元宽度，qam调制中的振幅am和bm表示为：

20、

21、其中，a是固定的振幅，（,）由输入数据决定，（,）决定已调qam信号在信号空间的坐标点。

22、进一步的，还提出一种优选方式，所述步骤s4中多载波调制技术的处理流程为：

23、输入比特序列完成串并变换，并对串并变换后的比特序列进行信道编码；

24、对所述信道编码后的比特序列进行调制映射，形成调制信息序列；

25、对调制信息序列进行逆离散傅里叶变换ifft，计算出ofdm已调信号的时域抽样序列；

26、在时域信号中添加循环前缀cp后进行d/a变换，得到ofdm已调信号的时域波形；

27、接收端对接收信号进行a/d变换，并去掉循环前缀cp；

28、对去除循环前缀后的信号进行fft，将时域信号转换为频域信号，得到原调制信息序列；

29、对原调制信息序列进行解调和反映射后进行信道解码得输出比特序列。

30、基于同一发明构思，本发明还提出一种基于多载波调制和水声通信的水下光学视觉成像机器人，所述机器人是基于上述所述的基于多载波调制和水声通信的水下光学视觉成像方法实现的，所述机器人包括：

31、图像采集单元，用于采集水下图像，将所述水下图像根据mpeg-2图像压缩标准进行存储；

32、视觉分析单元，用于将存储的水下图像进行视觉分析，获取显著图像；

33、目标提取单元，用于采用图像分割技术提取显著图像中水下目标，获取目标的二值化掩码图像；

34、成像单元，用于根据正交振幅调制信号和多载波调制技术将所述目标的二值化掩码图像进行成像。

35、基于同一发明构思，本发明还提出一种计算机设备，其特征在于：包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据上述任一项所述的基于多载波调制和水声通信的水下光学视觉成像方法。

36、基于同一发明构思，本发明还提出一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质用于储存计算机程序，所述计算机程序执行上述任一项所述的基于多载波调制和水声通信的水下光学视觉成像方法。

37、本发明的有益之处在于：

38、本发明针对提高水下机器人远距离视觉成像的精确度和稳定性的问题。

39、本发明所提出的基于多载波调制和水声通信的水下光学视觉成像方法，首先在于物理和水声工程跨学科交叉融合，将不同领域的创新想法和技术结合，实现一加一大于二的创新效果，为传统自动化水下机器人设想新的可能性。将水下光学视觉成像技术和声学多载波调制技术应用于自动化水下机器人（auv），实现图像抓取的精确度和自动化水下机器人无线实时通信稳定性提升。

40、本发明所提出的基于多载波调制和水声通信的水下光学视觉成像方法，还可以优化提升适用于自动化水下机器人的水下成像技术，通过对水下成像的显著性分析优化相机基本成像模型，得到精确度更高的定点抓取图像能力。

41、本发明所提出的基于多载波调制和水声通信的水下光学视觉成像方法，实现提升水下机器人中远程通信效率的问题，采用在更具鲁棒性的正交频分复用的多载波调制技术的基础上具有创新意义的多输入多输出联合正交频分复用（mimo-ofdm）的新型多载波调制技术水声通信模型。有效实现光信号与声信号转换，实现自动化水下机器人水声通信稳健性，降低光学信息传递损耗。

42、本发明所提出的方法还利用声音作为信号传输介质，克服了水下环境对光信号传输的不利影响。声波在水下传播的损耗相对较小，能够实现更稳定和可靠的信号传输。通过声卡和水听器进行光信号与声信号的转换，将数字信号转换为模拟信号，利用功率放大器放大信号后传输，再通过声卡采集、解调和解码，最终恢复成原始的图像文件。通过多载波调制技术和水声通信技术相结合，有效地提高了水下机器人远距离视觉成像的精确度和稳定性，克服了光学成像受距离限制和信息传导中途损耗的问题，为水下光学成像技术的发展提供了一种创新的解决方案。