本發(fā)明實(shí)施例涉及海洋觀測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)：

海洋參數(shù)觀測(cè)技術(shù)是海洋資源開發(fā)和海洋權(quán)益保障的重要技術(shù)支撐，對(duì)我國(guó)的海防建設(shè)和海洋資源的利用和可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。海洋浮標(biāo)是實(shí)現(xiàn)海洋動(dòng)力環(huán)境和海氣界面氣象參數(shù)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)的主要手段，已成為海洋業(yè)務(wù)化觀測(cè)必不可少的觀測(cè)系統(tǒng)和離岸海洋觀測(cè)的主要設(shè)備。

浮標(biāo)在海洋環(huán)境中工作，其自身必然會(huì)受到諸如海浪、海流、風(fēng)等海洋環(huán)境的影響，使得浮標(biāo)產(chǎn)生俯仰、傾斜以及旋轉(zhuǎn)等姿態(tài)變化。由于部分浮標(biāo)(如波浪浮標(biāo)、海氣通量浮標(biāo)等)在工作過程中需要浮標(biāo)的姿態(tài)穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，所以使得某些浮標(biāo)在工作海況下保持姿態(tài)穩(wěn)定是該類浮標(biāo)在設(shè)計(jì)和布放時(shí)需要解決的關(guān)鍵問題。進(jìn)一步地，保持浮標(biāo)姿態(tài)穩(wěn)定主要依賴于浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量，通過所測(cè)量的浮標(biāo)所偏移角度，對(duì)浮標(biāo)做出相應(yīng)的調(diào)整。

現(xiàn)有的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量方案主要是在浮標(biāo)體內(nèi)添加姿態(tài)自記式記錄儀，在浮標(biāo)體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，通過該姿態(tài)自記式記錄儀內(nèi)部?jī)r(jià)格昂貴的姿態(tài)傳感器記錄浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。但是上述測(cè)量方案除成本較高外還改變了浮標(biāo)自身的重心分布，不適用于快速精確地獲取浮標(biāo)實(shí)時(shí)姿態(tài)。

應(yīng)當(dāng)說明的是，以上技術(shù)問題是本發(fā)明人在實(shí)施本發(fā)明的過程中所發(fā)現(xiàn)的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于現(xiàn)有技術(shù)所存在的問題，本發(fā)明提供一種浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置及方法，其目的在于通過兩個(gè)圖像采集器同步采集浮標(biāo)的圖像信息，并根據(jù)雙目視覺測(cè)量原理確定浮標(biāo)實(shí)時(shí)的姿態(tài)參數(shù)。

本發(fā)明實(shí)施例一方面提供一種浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置，包括：

配置在待測(cè)量浮標(biāo)外表面的浮標(biāo)標(biāo)識(shí)物；

對(duì)上述浮標(biāo)標(biāo)識(shí)物進(jìn)行圖像采集的第一圖像采集器和第二圖像采集器；

數(shù)據(jù)處理模塊，用于識(shí)別并確定上述第一圖像采集器和第二圖像采集器所同步采集的第一圖像信息和第二圖像信息中上述浮標(biāo)標(biāo)識(shí)物的位置差異信息，和根據(jù)上述位置差異參數(shù)確定上述待測(cè)量浮標(biāo)的浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)。

結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的一方面，上述浮標(biāo)標(biāo)識(shí)物包括反光標(biāo)識(shí)條和棋格形標(biāo)定板，則上述數(shù)據(jù)處理模塊用于根據(jù)上述第一圖像信息和上述第二圖像信息中上述棋格形標(biāo)定板的位置確定上述第一圖像采集器和上述第二圖像采集器的相對(duì)位置信息，和根據(jù)所確定的第一圖像采集器和上述第二圖像采集器的相對(duì)位置信息建立世界坐標(biāo)系；以及上述數(shù)據(jù)處理模塊用于根據(jù)上述第一圖像信息和第二圖像信息中上述反光標(biāo)識(shí)條的位置信息并結(jié)合上述世界坐標(biāo)系，確定上述待測(cè)量浮標(biāo)的浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)。

結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的一方面，上述數(shù)據(jù)處理模塊為計(jì)算機(jī)，其特征在于，上述浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置還包括：與上述第一圖像采集器、第二圖像采集器和上述數(shù)據(jù)處理模塊分別連接的分別連接的通信模塊，上述通信模塊用于將上述第一圖像采集器和上述第二圖像采集器所采集的圖像信息發(fā)送至上述計(jì)算機(jī)。

結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的一方面，上述浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置還包括：與上述通信模塊連接的同步采集控制模塊，用于控制將上述第一圖像采集器和上述第二圖像采集器所同步采集的第一圖像信息和第二圖像信息發(fā)送至上述計(jì)算機(jī)。

結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的一方面，上述浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置還包括：與上述數(shù)據(jù)處理模塊相連接的顯示裝置，上述顯示裝置用于顯示上述浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)。

結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的一方面，上述第一圖像采集器和第二圖像采集器為水平或豎直排列的工業(yè)相機(jī)，和上述第一圖像采集器和上述第二圖像采集器之間相距一定距離。

結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的一方面，上述浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)為浮標(biāo)的俯仰角和偏航角。

本發(fā)明實(shí)施例另一方面提供一種浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量方法，使用了上述本發(fā)明一方面所提供的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置，具體本方法包括：

第一圖像采集器和第二圖像采集器分別同步拍攝采集上述待測(cè)量浮標(biāo)的第一圖像信息和第二圖像信息；

上述數(shù)據(jù)處理模塊運(yùn)用圖像處理技術(shù)獲取上述第一圖像信息和第二圖像信息中棋格形標(biāo)定板的相對(duì)位置信息，并建立參照坐標(biāo)系；

上述數(shù)據(jù)處理模塊獲取上述第一圖像信息和第二圖像信息中反光標(biāo)識(shí)條的位置信息，并分別確定上述反光標(biāo)識(shí)條在上述世界坐標(biāo)系中的第一坐標(biāo)信息和第二坐標(biāo)信息；

根據(jù)上述第一坐標(biāo)信息和上述第二坐標(biāo)信息，并結(jié)合光學(xué)三角測(cè)量原理確定上述待測(cè)試浮標(biāo)的姿態(tài)參數(shù)。

結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例的另一方面，在上述第一圖像采集器和所述第二圖像采集器分別同步拍攝采集所述待測(cè)量浮標(biāo)的第一圖像信息和第二圖像信息之前還包括：

啟動(dòng)第一圖像采集器和第二圖像采集器拍攝采集不包含待測(cè)量浮標(biāo)的多張圖像信息；

對(duì)所述多張圖像信息采用統(tǒng)計(jì)平均法以確定上述待測(cè)量浮標(biāo)的背景圖像信息。

在本發(fā)明實(shí)施例所提供的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置及方法中，不需要在浮標(biāo)內(nèi)部安裝價(jià)格昂貴的姿態(tài)傳感器及輔助電路，也不需要改變浮標(biāo)的原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)浮標(biāo)的原有的重心分布沒有影響；進(jìn)一步地，本測(cè)量裝置及方法操作方便、成本低廉但所確定的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果具有較高的精確性，可預(yù)見在浮標(biāo)研制及浮標(biāo)動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明還有更多的有益效果將在下文具體實(shí)施方式中進(jìn)行闡述。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作一簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1示出的是本發(fā)明一實(shí)施例所提供的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出的是本發(fā)明一實(shí)施例所提供的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量方法的流程示意圖；

圖3示出的是本發(fā)明浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置及方法一應(yīng)用具體實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)效果圖；

圖4示出的是本發(fā)明所涉及的浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)的定義的示意圖；

圖5示出的是本發(fā)明所涉及的浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)測(cè)量的原理示意圖。

具體實(shí)施例

為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參見圖1示出的是本發(fā)明一實(shí)施例所提供的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置10包括：

配置在待測(cè)量浮標(biāo)A外表面的浮標(biāo)標(biāo)識(shí)物101；

對(duì)浮標(biāo)標(biāo)識(shí)物101進(jìn)行圖像采集的第一圖像采集器102和第二圖像采集器103；

數(shù)據(jù)處理模塊104，用于識(shí)別并確定第一圖像采集器102和第二圖像采集器103所同步采集的第一圖像信息和第二圖像信息中浮標(biāo)標(biāo)識(shí)物101的位置差異信息，和根據(jù)上述位置差異參數(shù)確定上述待測(cè)量浮標(biāo)A的浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)。

通過本發(fā)明實(shí)施例所提供的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置，不需要在浮標(biāo)內(nèi)部安裝價(jià)格昂貴的姿態(tài)傳感器及輔助電路，也不需要改變浮標(biāo)的原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)浮標(biāo)的原有的重心分布沒有影響，能夠在低成本的消耗的前題下實(shí)現(xiàn)高精度的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量結(jié)果。

浮標(biāo)標(biāo)識(shí)物101包括反光標(biāo)識(shí)條1011和棋格形標(biāo)定板1012，則數(shù)據(jù)處理模塊104用于根據(jù)第一圖像信息和第二圖像信息中棋格形標(biāo)定板1012的位置確定第一圖像采集器和第二圖像采集器的相對(duì)位置信息，和根據(jù)所確定的第一圖像采集器102和第二圖像采集器103的相對(duì)位置信息建立世界坐標(biāo)系；以及數(shù)據(jù)處理模塊104用于根據(jù)上述第一圖像信息和第二圖像信息中上述反光標(biāo)識(shí)條1011的位置信息并結(jié)合上述世界坐標(biāo)系，確定待測(cè)量浮標(biāo)A的浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)。由此利用空間幾何知識(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)浮標(biāo)姿態(tài)的確定。

數(shù)據(jù)處理模塊104為計(jì)算機(jī)，上述浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置10還包括：與第一圖像采集器102、第二圖像采集器103和數(shù)據(jù)處理模塊104分別連接的分別連接的通信模塊105，通信模塊105用于將第一圖像采集器102和第二圖像采集器103所采集的圖像信息發(fā)送至上述計(jì)算機(jī)。本實(shí)施例將數(shù)據(jù)處理模塊集成在應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)中，降低了浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置的制造成本，同時(shí)也提高了浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置用戶的用戶體驗(yàn)。

浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置10還包括：與通信模塊105連接的同步采集控制模塊106，用于控制將第一圖像采集器102和第二圖像采集器103所同步采集的第一圖像信息和第二圖像信息發(fā)送至上述計(jì)算機(jī)。由此，保障了計(jì)算機(jī)接收自第一圖像采集器和第二圖像采集器的圖片是同步采集的，無需計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的篩選處理；降低了計(jì)算機(jī)的處理要求，更能滿足浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置的實(shí)時(shí)性的需求。

浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置10還包括：與數(shù)據(jù)處理模塊104相連接的顯示裝置107，顯示裝置107用于顯示上述浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)。由此可提高浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置的用戶體驗(yàn)。

上述第一圖像采集器102和第二圖像采集器103為水平或豎直排列的工業(yè)相機(jī)，和第一圖像采集器102和上述第二圖像采集器103之間相距一定距離。應(yīng)當(dāng)說明的是，上述一定距離可以是根據(jù)測(cè)量的需求預(yù)定的。

上述浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)為浮標(biāo)的俯仰角和偏航角。由此，根據(jù)浮標(biāo)實(shí)時(shí)的俯仰角和偏航角可以確定浮標(biāo)實(shí)時(shí)的姿態(tài)參數(shù)。

更具體，本發(fā)明所提供的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置主要包括：

前端圖像數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)處理及顯示模塊以及標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)志物等。其中前端數(shù)據(jù)采集模塊包括兩個(gè)平行放置的工業(yè)相機(jī)，兩者間相距500mm-1000mm,用于捕獲不同角度的同一時(shí)刻的浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)圖像；同步信號(hào)觸發(fā)源，用于為上述兩個(gè)工業(yè)相機(jī)提供同步觸發(fā)信號(hào)；防水密封殼用于放置兩平行相機(jī)，防止大氣水霧對(duì)相機(jī)的腐蝕；光源，用于在光線較暗情況下補(bǔ)充光照，獲取高質(zhì)量圖像；圖像采集卡，將工業(yè)相機(jī)所獲取的信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所能認(rèn)知的信號(hào)。數(shù)據(jù)處理及顯示模塊主要用于處理前端數(shù)據(jù)采集模塊所得到圖像信息，計(jì)算浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角并顯示出來。該模塊主要包括計(jì)算機(jī)及利用OpenCV等工具所編制的圖像處理軟件。標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)志物主要包括棋格形標(biāo)定板及輕質(zhì)高反光標(biāo)準(zhǔn)條，其中棋格形標(biāo)定板用于標(biāo)定前端數(shù)據(jù)采集模塊，獲取左右兩個(gè)工業(yè)相機(jī)間的相對(duì)位置關(guān)系，并確定世界坐標(biāo)系位置；輕質(zhì)高反光標(biāo)準(zhǔn)條在不改變浮標(biāo)重心分布的情況下安裝在浮標(biāo)體上，通過確定該標(biāo)準(zhǔn)條的三維空間直線方程來計(jì)算浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

參見圖2示出的是本發(fā)明一實(shí)施例所提供的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量方法的流程示意圖，使用了上述實(shí)施例所提供的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置，具體本方法包括：

S201：第一圖像采集器和第二圖像采集器分別同步拍攝采集上述待測(cè)量浮標(biāo)的第一圖像信息和第二圖像信息；

S202：上述數(shù)據(jù)處理模塊運(yùn)用圖像處理技術(shù)獲取上述第一圖像信息和第二圖像信息中棋格形標(biāo)定板的相對(duì)位置信息，并建立參照坐標(biāo)系；

S203：上述數(shù)據(jù)處理模塊獲取上述第一圖像信息和第二圖像信息中反光標(biāo)識(shí)條的位置信息，并分別確定上述反光標(biāo)識(shí)條在上述世界坐標(biāo)系中的第一坐標(biāo)信息和第二坐標(biāo)信息；

S204：根據(jù)上述第一坐標(biāo)信息和上述第二坐標(biāo)信息，并結(jié)合光學(xué)三角測(cè)量原理確定上述待測(cè)試浮標(biāo)的姿態(tài)參數(shù)。

作為進(jìn)一步的優(yōu)化，在步驟S201之前還包括：

啟動(dòng)第一圖像采集器102和第二圖像采集器103拍攝采集不包含待測(cè)量浮標(biāo)的多張圖像信息；

對(duì)所述多張圖像信息采用統(tǒng)計(jì)平均法以確定上述待測(cè)量浮標(biāo)的背景圖像信息。

本實(shí)施例方法操作方便、成本低廉但所確定的測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果具有較高的精確性，可預(yù)見在浮標(biāo)研制及浮標(biāo)動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

更具體地，本發(fā)明所提供的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量方法主要包括：

將浮標(biāo)測(cè)量裝置對(duì)準(zhǔn)浮標(biāo)工作區(qū)域，利用棋格形標(biāo)定板標(biāo)定前端圖像采集模塊并確定世界坐標(biāo)系。將標(biāo)準(zhǔn)條安放在浮標(biāo)體上，啟動(dòng)視頻測(cè)量裝置采集浮標(biāo)在模擬不同海浪狀況下的運(yùn)動(dòng)序列圖像。

分別提取左右圖像對(duì)中的標(biāo)準(zhǔn)條平面方程。首先以背景差分方式去除大部分的背景干擾，在首幀圖像中以人工交互的方式確定浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)的感興趣區(qū)域ROI,然后以較高的閾值分割圖像，之后采用Radon變換的方式提取高反光標(biāo)準(zhǔn)條特征，獲得其平面方程信息。

在得到高反光標(biāo)準(zhǔn)條的左相面方程后，由攝像機(jī)小孔成像模型成像原理便可以得到過左相機(jī)光心且過直線的平面方程。同理可以得到過右相機(jī)光心且過直線的平面方程。由兩平面相交的方式可以計(jì)算得到高反光標(biāo)準(zhǔn)條的空間方程，由空間幾何知識(shí)可知算的其空間軸線方向向量，進(jìn)而可以計(jì)算得到浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)過程中的俯仰角及偏航角。

為了使本發(fā)明精神更加易于理解，現(xiàn)進(jìn)一步對(duì)本實(shí)施例方法中所涉及到的數(shù)學(xué)換算過程結(jié)合本實(shí)施例方法進(jìn)行具體的闡述：

對(duì)浮標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定：

確定由水平布設(shè)的第一圖像采集器和第二圖像采集器所建立的世界坐標(biāo)系，并為圖像采集器準(zhǔn)備好圖像采集頻率。具體包括：以第一圖像采集器的坐標(biāo)系為世界坐標(biāo)系OX_WY_WZ_W，既所述世界坐標(biāo)系Z_W軸沿左相機(jī)攝像機(jī)光軸指向目標(biāo)方向，X_W沿相面水平方向右，Y_W軸與X_W、Z_W滿足右手法則。第一圖像采集器和第二圖像采集器的內(nèi)外參數(shù)采用黑白棋格式的平面模板進(jìn)行標(biāo)定，平面標(biāo)定板是一個(gè)有若干黑白交錯(cuò)的棋盤格，其中標(biāo)定板單個(gè)棋盤格的長(zhǎng)度為30mm，利用搭建好的浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置拍攝若干不同情況下的標(biāo)定板圖像，所采集的用于標(biāo)定的模板圖像的數(shù)量應(yīng)盡量大于15張；應(yīng)當(dāng)說明的是，在確定了相應(yīng)的世界坐標(biāo)系和第一圖像采集器和第二圖像采集器的內(nèi)外參數(shù)之后，再次使用裝置進(jìn)行測(cè)量時(shí)則不需要使用重新進(jìn)行上述操作。

設(shè)置采樣分辨率：

同步采集浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)圖像，其中同步信號(hào)源選擇Hantek公司生產(chǎn)的DDS-3305型號(hào)的任意波形型號(hào)發(fā)生器，將左右相機(jī)設(shè)置為同步外觸發(fā)，以設(shè)定頻率捕獲浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)圖像。

采用基于圖像處理的技術(shù)分別提取第一圖像采集器和第二圖像采集器的高反光標(biāo)識(shí)條特征，并分別計(jì)算兩各圖像采集器的高反光標(biāo)識(shí)條特征的平面方程：

在拍攝浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)圖像之前，啟動(dòng)第一圖像采集器和第二圖像采集器拍攝若干張不包含浮標(biāo)的圖像，采用統(tǒng)計(jì)平均法合成背景圖像。之后將所拍攝的浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)圖像減去背景圖像，將背景中的大部分干擾信息去除。

以Radon變換方式提取第一圖像采集器和第二圖像采集器所拍攝的標(biāo)識(shí)條在圖像采集器的成像平面的方程；首先以較大的閾值將上述背景差分圖像分割為二值圖像，其中閾值的大小需要根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)環(huán)境來確定；然后對(duì)二值圖像進(jìn)行Radon變換，在變換域圖像內(nèi)尋找亮度峰值點(diǎn)R_max(ρ,θ)，假設(shè)求得亮斑的中心位置(ρ,θ)。根據(jù)Radon變換原理可以求得高反光標(biāo)識(shí)條的直線方程為ρ＝u_lcosθ+v_lsinθ，其中(u_l,v_l)為第一圖像采集器的成像平面的坐標(biāo)形式。

根據(jù)光學(xué)三角測(cè)量原理及空間幾何相關(guān)知識(shí)計(jì)算浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)：

分別計(jì)算過左右相機(jī)光心O_l、O_r及左右相面標(biāo)識(shí)條l_l、l_r的空間平面方程S_l、S_r；假設(shè)左相機(jī)圖像平面上高反光標(biāo)識(shí)條的方程可寫為如下形式：

根據(jù)攝像機(jī)的針孔成像模型式有：

將上式兩端同乘以向量[k₁ k₂ k₃]有：

整理得：A_lX_w+B_lY_w+C_lZ_w+D_l＝0，上式即為過左相機(jī)光心O且過直線l_l的平面S_l。同理，可以求出過右相機(jī)光心及對(duì)應(yīng)直線l_r的平面S_r。

由空間平面相交原理計(jì)算標(biāo)識(shí)條三維空間方程，根據(jù)空間幾何知識(shí)計(jì)算浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)；S_l、S_r兩平面相交即可得到高反光標(biāo)識(shí)條的空間方程L：

則由空間幾何相關(guān)知識(shí)可得浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)的俯仰角θ、偏航角Ψ為：

參見圖3示出的是本發(fā)明浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置及方法一應(yīng)用具體實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)效果圖，包括：

位于密封殼內(nèi)的水平安裝的兩臺(tái)工業(yè)相機(jī)，包含左相機(jī)和右相機(jī)安裝在相機(jī)支架上，對(duì)準(zhǔn)浮標(biāo)工作區(qū)域，兩相機(jī)之間相隔一定距離，該距離就是所謂的基線距離?；€距離要根據(jù)被測(cè)浮標(biāo)的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，其距離的大小對(duì)姿態(tài)測(cè)量精度有一定影響，在本實(shí)施例中，左相機(jī)301和右相機(jī)302兩者間相距500mm-1000mm。

本發(fā)明浮標(biāo)姿態(tài)測(cè)量裝置及方法的工作過程主要包括三大部分：浮標(biāo)測(cè)量工作準(zhǔn)備、高反光標(biāo)識(shí)條特征的提取和浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角的計(jì)算：

一、浮標(biāo)測(cè)量工作準(zhǔn)備：

浮標(biāo)測(cè)量工作準(zhǔn)備主要包括圖像采集測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定、高反光標(biāo)識(shí)條的安放以及浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)圖像的獲取。圖像采集測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定是為了統(tǒng)一參考對(duì)象，為后續(xù)浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)的測(cè)量打下基礎(chǔ)，本實(shí)施例中浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)包含有浮標(biāo)的俯仰角和偏航角，具體地圖像采集測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定：

參見圖4示出的是浮標(biāo)的浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)的定義的示意圖，世界坐標(biāo)系定義為OX_wY_wZ_w，浮標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)包括俯仰角、偏航角以及滾轉(zhuǎn)角分別定義如下：俯仰角θ為所安放高反光標(biāo)識(shí)條與水平面既與世界坐標(biāo)系OX_wY_w面間的夾角。偏航角Ψ為高反光標(biāo)識(shí)條在OX_wY_w面上的投影與OY_w軸間的夾角。

假設(shè)空間點(diǎn)P(X_w,Y_w,Z_w)在相機(jī)圖像平面上的坐標(biāo)為p(u,v)，則根據(jù)攝像機(jī)成像的線性模型，在不考慮畸變的情況下有以下關(guān)系：

上式中Z_C表示空間點(diǎn)P到相機(jī)成像平面的距離；f表示相機(jī)的焦距；dx與dy為CCD水平和豎直方向單個(gè)像素的物理長(zhǎng)度；(u₀,v₀)表示圖像的中心。(f/dx，f/dy,u₀,v₀)是由相機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及固有性質(zhì)決定的，為相機(jī)的內(nèi)部參數(shù)。R、T表示相機(jī)坐標(biāo)系相對(duì)于世界坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)及平移關(guān)系，為相機(jī)的外部參數(shù)。相機(jī)的內(nèi)外部參數(shù)在本文第一步中可由視頻測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定得到。

在圖像采集測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定時(shí)，利用左右相機(jī)拍攝不同位姿的棋格標(biāo)定板圖像，用于確定兩工業(yè)相機(jī)的內(nèi)外參數(shù)并確定世界坐標(biāo)系，世界坐標(biāo)系的XOY平面可以取水平面，Z軸垂直于XOY平面并豎直向上，三坐標(biāo)軸間滿足右手法則。

由于各類浮標(biāo)外形各異，沒有共同的外形特征來描述其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，故而可以在不改變浮標(biāo)重心分布的情況下在其外殼頂部安放高反光標(biāo)識(shí)條，該標(biāo)識(shí)條以膠合的方式與浮標(biāo)體固定。其中高反光標(biāo)識(shí)條由高強(qiáng)度的輕質(zhì)鋁管外涂高反光材料制作而成，其長(zhǎng)度根據(jù)不同的浮標(biāo)體可做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

在完成視頻測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定及高反光標(biāo)識(shí)條的安放工作后，開啟左右相機(jī)拍攝浮標(biāo)位于不同海況狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)圖像。

二、高反光標(biāo)識(shí)條位置信息的提取

由于各類浮標(biāo)外形各異，所以通過在浮標(biāo)體外部安裝標(biāo)識(shí)物的方式來測(cè)量浮標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。在本發(fā)明中，所安裝的標(biāo)識(shí)物為涂有高反光材料的輕質(zhì)長(zhǎng)條，只要能夠自動(dòng)識(shí)別出左右圖像對(duì)中的高反光標(biāo)識(shí)條即可由視覺測(cè)量相關(guān)知識(shí)計(jì)算其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角?，F(xiàn)以左圖像像面為例說明如何提取該高反光標(biāo)識(shí)條的位置信息，具體包括：

使用空域中值濾波平滑圖像，去除高頻噪聲的干擾；之后采用背景差分法去除背景噪聲，其中背景圖像的構(gòu)建可以在采集浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)之前依據(jù)統(tǒng)計(jì)平均法構(gòu)建；之后采用閾值分割法分割差分圖像，所使用的閾值需要根據(jù)特定的試驗(yàn)環(huán)境及光照條件決定，以保證所分割后的圖像既能保留高反光標(biāo)識(shí)條特征又能去除大部分的低亮度干擾，之后采用Canny邊緣檢測(cè)算子檢測(cè)二值圖像邊緣。

Radon變換具有明顯的幾何特征，具有良好的抗噪能力和易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，適合用于對(duì)直線目標(biāo)的檢測(cè)。在本發(fā)明中對(duì)Canny邊緣檢測(cè)后的圖像作Radon變換，變換后將原來的二值圖像沿指定角度積分投影，將相平面上直線檢測(cè)問題轉(zhuǎn)化為Oρθ平面上亮度峰值點(diǎn)的檢測(cè)問題。經(jīng)Radon變換后，變換域圖像呈現(xiàn)為一亮斑，首先對(duì)Radon變換圖像均值濾波，然后在變換域內(nèi)搜索亮度峰值R_max(ρ,θ)，求得亮斑的中心位置(ρ,θ)。根據(jù)Radon變換原理可以求得高反光標(biāo)識(shí)條的直線方程為ρ＝u_lcosθ+v_lsinθ，其中(u_l,v_l)為左相機(jī)相面的坐標(biāo)形式?？蓪⒃撝本€方程整理成如下形式：

三、浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角計(jì)算

參見圖5示出的是本發(fā)明所涉及的浮標(biāo)姿態(tài)參數(shù)測(cè)量的原理示意圖，假設(shè)在第二部分中已經(jīng)分別提取得到左右圖像對(duì)中高反光標(biāo)識(shí)條l_l、l_r，左右圖像對(duì)中的高反光標(biāo)識(shí)條與各自相機(jī)的光心可以分別確定一個(gè)空間平面S_l、S_r。由空間幾何知識(shí)可知，這兩個(gè)平面相交于空間中的一條直線，這條直線即為高反光標(biāo)識(shí)條的空間方程。假設(shè)第一圖像采集器的成像平面上高反光標(biāo)識(shí)條的方程可寫為如下形式：

根據(jù)攝像機(jī)的針孔成像模型式(1)有：

將上式兩端同乘以向量[k₁ k₂ k₃]有：

整理得：

上式即為過左相機(jī)光心O且過直線l_l的平面S_l。同理，可以求出過右相機(jī)光心及對(duì)應(yīng)直線l_r的平面S_r。

S_l、S_r兩平面相交即可得到高反光標(biāo)識(shí)條的空間方程L：

由空間幾何知識(shí)可知該空間直線的方向向量為：

(l m n)＝(A_l B_l C_l)×(A_r B_r C_r)

則浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)的俯仰角θ、偏航角Ψ為：

由上式可知，計(jì)算出的俯仰角及偏航角范圍為：以及

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的各實(shí)施例及優(yōu)選實(shí)施例中所涉及到的技術(shù)特征彼此之間可以相互組合；術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”，不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

本發(fā)明實(shí)施例中可以通過硬件處理器來實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能模塊和單元。

以上所描述的裝置實(shí)施例僅僅是示意性的，其中所述作為分離部件說明的單元可以是或者也可以不是物理上分開的，作為單元顯示的部件可以是或者也可以不是物理單元，即可以位于一個(gè)地方，或者也可以分布到多個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元上。可以根據(jù)實(shí)際的需要選擇其中的部分或者全部模塊來實(shí)現(xiàn)本實(shí)施例方案的目的。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性的勞動(dòng)的情況下，即可以理解并實(shí)施。

通過以上的實(shí)施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到各實(shí)施方式可借助軟件加必需的通用硬件平臺(tái)的方式來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也可以通過硬件?；谶@樣的理解，上述技術(shù)方案本質(zhì)上或者說對(duì)現(xiàn)有技術(shù)做出貢獻(xiàn)的部分可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)品可以存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中，如ROM/RAM、磁碟、光盤等，包括若干指令用以使得一臺(tái)計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行各個(gè)實(shí)施例或者實(shí)施例的某些部分所述的方法。

最后應(yīng)說明的是：以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照前述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的精神和范圍。