遥控水下机器人海底资料可视化模型构建

1、遥控水下机器人(ROV海底资料可视化模型构建海底地形是海洋地质学、海洋地球物理学、物理海洋 学和海洋生物学等研究的基础资料。海底地形的复杂性是 影响海洋要素分布的重要因素之一，也是海洋海流呈现多 样化的重要原因 , 也影响到了海洋水团的来源和性质 ; 另 外，对海洋资源的数量及多样性也有重要影响 ; 对海洋沉积 物类型的空间分布及厚度影响更为直接形象。海底地形测 量及可视化是地形数据解释的关键，海底视像调查是海底 地形观测的重要技术手段。采用 ROV( Remotely Operated Vehicles, )进行海底地形视像观测，是一种极高效率的可 视化工具，通过 ROV获取的大量视频和图像

2、资料，有极大 的数据挖掘潜力。本文介绍了 R0V视像调查工作手段，评 述了一种基于工业软件的数据处理流程，并详细阐述了利 用ROV的视频和图像资料生成 3D可视模型的处理方法，该 方法将为海洋地质调查提供一种全新的可视化海底地形探 测手段。一、研究背景目前有多种形式的海底地形测量方法，其中海底视像 调查已经被广泛地应用于各种各样的海洋科学研究中包， 从而成为重要的海底地形测量方法之一。海底视像调査是 -6-利用水下摄影设备对海底目标或局部地形进行的直接可视 化的测量工作 , 目的是确定海底摄影目标的形状、大小、位 置和性质，或局部地形的起伏状态。水下机器人（ ROV （ Remotely Op

3、erated Vehicle, 以下简称 ROV）, 是一种具 有智能功能的水下遥控潜水器。ROV可以通过配置摄像头和多功能机械手 , 携带具有多种用途和功能的声学探测仪器以 及专业工具进行各种复杂的水下作业任务。其中利用 ROV 录像探测海底信息并对海底目标物进行直接目视观测被认 为是ROM重要作业手段之一。传统上使用的ROV大多应用于可视观测、携带特定传 感器作业以及回收实体样品等精细调查。当需要高精度定 位取样时 , 样品釆集经常依赖于水下定位系统提供的目标位 置和摄像机实时传输的视像信息。由于R0V是定点作业，釆集的视像信息范围有限，如果不对作业区提前进行全面 的调査 , 研究人员则没

4、有把握在科学或工程上最相关的区域 进行观测或取样。并且由于所有的摄影设备都需要装在密 封的耐压舱体中，视像观测技术的水下应用就出现了一些 重要的问题。比较显著的是 , 在耐压舱体中，摄影设备釆用 的空气 -玻璃 -水界面是一个额外的光学因素 , 光学测量也会 因为许多元件在压力下变形 , 以一种非线性的方式发生改 变，从而导致拍摄的视像信息失真电。海底3D可视模型能很大程度上降低上述问题的困扰，如何利用ROV海底视频和图像生成3D可视模型，从TOMW确反映海底信息，为海底地形探测等各项工作提供更有价值的信息重要而紧迫的 问题。本文将概述介绍并评述一种基于第三方软件的视像资料处理流程。旨在介绍一

5、种 ROV视像资料生成3D可视模型 的处理技术方法和思路，为我国今后更好地利用R0V海底视像资料提供参考。从而激发对视像调查制图工作流程的 开发，并完成了从 ROV海底现场工作录像中生成 3D可视模 型的技术开发和研究。二、系统设计开发利用深部海洋资源时需要勘探海底地形，特别是海底可视化3D地形更为直观化，因而海底视像调養是一种 行之有效的方法。在前期调查获取的等深线图和海底取样 样品信息等已有的调查基础上，使用 ROV开展作业，对需 要开展构造的目标进行详细调查，获得详细的调查资料后 , 利用ROVffl像资料并基于第三方软件进行 3D可视模型构 建，能够导出基本的野外地质信息，例如定量的地

6、层学和 大地构造等信息。该工作流程可以获得海底标志物（如海 底露头）的三维模型，能在地理参照坐标系内定量测量节 理方向、地层构造、粒径大小和像片镶嵌等。获得的资料 使得对海底火山及海底构造的解译从手标本尺度发展到岀 露露头尺度。整个操作流程具有稳定、可重复及响应迅速且易于使用的特征，可以在海上对新数据进行及时评估利用海底视像数据重建模型的质量主要取决于摄影机 拍摄的原始视像资料的清晰度，差的图像质量极易导致错 误的图像匹配。为获取海底视像资料和ROV运动轨迹,R0V上需要安装多功能摄像头、各种传感器，特别是在ROV前端配置有 2 个高质量的摄像系统。为调整立体装置的光学 偏差，摄影设备的耐压舱

7、体都装有平坦的玻璃舱门。在视 像调查时尽量避免使用可变焦距器件，且只有在焦距被准 确的录入日志后才可以调节。此外，重建软件必须能够把 这些数据合并到模型生成的过程中，否则变焦摄影会被解 译为接近目标的运动，致使无法测量轨迹。摄影机放置应 当与目标成正交，如果角度大于 45。会导致构建失败或错 误。在深海里进行视像拍摄时，应让目标物在一的网格上 移动，避免快速移动。另外，为降低失真，测量仪器运行 轨迹应当经常彼此交叉 , 或者与重要观测部位平行。此外， 摄像系统应该尽可能的简单，可利用焦深镜头或者相对小 孔径的定焦距进行拍摄作业。ROM水下运动轨迹的定位系统包含以下部分：多普勒 计程仪 (DVL

8、), 用来记录亚厘米分辨率的三维差异运动轨迹 超短基线定位系统(USBL),与母船底部的USBL天线配合进 行ROM精确定位；罗盘提供ROV勺艄向信息；温盐深测量 仪(CTD)采集海水的温度、盐度、深度等实时数据；姿态传 感器反映设备的姿态数据 （ 如航向、横摇倾角、纵倾倾角 等）。视像资料处理和模型重建是一个非常密集的计算过 程，需要使用多套第三方视像资料处理软件在高配置工作 站上处輟据，本文下一部分将对整行详细 3D 模型构建三、数据预处理ROV海底视像资料及其运动轨迹数据通过ROV水下作业获得以后，需要分别进行预处理，否则会影响到3D模型构建的效果，这一步至关重要，然后才能进行3D模型构

9、建。ROV的运动轨迹是重建模型质量评估的唯一参照系数 据，通过ROV配置的多普勒计程仪（DVL）和超短基线定位系 （USBL）来获得相关数据，并对 ROV的航行轨迹进行定位处 理得到模拟曲线寫通过对这两组传感器数据进行拟合和插 值运算得到相应的轨迹图，通过相互对比可以得到混合的 运载器路径。特别指出的是，USBL和DVL航行数据必须经过 精细地修正，使用半自动的数字图象处理路线，生成混合 的运载器路径 , 在考虑到各自阔情况下稳定两个数据源 : 两 个信号的 x 和 y 元件都被系统固有的离群值过滤，之后 DVL 的短波部分被复制到 USBL的长波部分。此外，由于漂移效 应以及使用CTD合并记

10、录和压力传感器的失效通道 ，DVL信 号垂直部分需要修正。为利用ROV的海底视像资料进行 3D模型重建，研究人员开发了一 * 全新的数据预处理工作流程。四、视像重建为进行视频和图像的模型重建，釆用了第三方软件Agisoft 的航空摄影测量软件 （PhotoscanProfessional） 进 行辅助建供了 _套完整的工作流程，包括完整的核心重建、 输入图像预处理和已完成的模型编辑等。重建模型需要用 到ROV海底作业时的摄像机状态（例如位置和方向）。这个 软件首先尝试通过 f 合适的精确的七个参数转换进行地理 参照。在第二步中，重建的几何体和摄像机状态受到 ROV 运动轨迹非线性最优化过程的影

11、响，对于所有的状态，模 型会计算偏差的程度和均方根误差值。随后，将图像从摄 像机状态重投影 , 通过模型表面之后，图像结构可以作为正 射影像拼接输出。重叠区域由纹理混合规则来处理，可通 过从投影到给定表面坐标的 _系列重叠像素中选取最亮的可 用像素来获得 *? 的结果。对强烈变化的物体距离，可以通 过形成平均重叠的像素来得到更满意的视觉结果。该重建 模型可以输出到各种方程和地理参考系中。高分辨率的模 型包括变形模型和用于进一步解释的摄影机位置在 Autodesk3ds 方程中输出。值得注意的是，为了从二维图像中重建三维图像信 息，处理算法需要获得摄像参数 （ 相对目标的摄影机位置尤 为重要 ）

12、 和固有的摄影机参数 （ 镜头到传感器的光途径的描 -6-述） 。只有在具有固有参数和一些最基本的外部信息，如摄 影机位置和方向等精确信息的情况下，才能得到真正精确 的重建。五、模型解释为测量平面结构如断层、节理或地层层面等信息，可 在该模型中运用二维的 Autodesk" 剖面对象”。调整“剖面 对象”的方位使模型化的海底交叉点与地质结构相匹配。 模型上的面消减的越多，测量就越准确。这个操作具有以 下优势 : 首先可以在结构不明确边界 （ 例如粗糙砾石的海岸 ） 也能够精确的确定该结构的层位，其次它扩大了可进行层 位测量的取样区，从而可以进行具有代表性的“均向和倾 向”测量而不仅是

13、单个点测量。可以在“主剖面图”上沿 着露头模型，把定向“剖面 X 掾”划分成几个部分，然后 根据露头实际情况得到可以直接输入到矢量化软件的比例 精确的地质剖面。在数据处理技巧上，可以通过在模型中的碎屑岩周围 创建合适的球体、椭圆及方形来测量结晶粒度，并沿着相 应的参照坐标轴读取目标物的大小。结合多种单体测量技 术，把目标物成批重命名并聚合在 _起，然后将这些聚合体 放在可见层中，从而实现了批量处理。六、可视化 主要用 3dsMax 创建用于实时可视化软件的模型。为了 从模型中获得定量的地质信息，釆用以下基本路线 :1) 创造 Autodesk3dsMax 帮助 X 嫁;2) 测量和整合数据以匹

14、配待测量 的地质特性 ;3) 读取帮助对象的各个特性。这一系列操作之 后就可以产生精确可视的信息。X權型进行定量评估后，研究人员通过适当的数据可视 化来加强质量分析。特别是ROV可视数据通常在地质非相关的临时维度 ( 时间标记而不是地理参照 ) 对用户可用，意 味着它所包含的信息很难过期获得。研究人员运用3D模型调取ROV可视数据集到相关的地理架构内，从而使人们可以 通过位置来获得录像信息。其他的可视化平台也可以应用于可视化工程，例如 ArcGIS能显示深度图、ROV轨迹、重建露头的整合图像、 样品位置和最终地质图层； Fledermaus 能够结合海底测深 数据在四维空间展示大部分的GIS

15、地层; 虚拟地球如GoogleEarth 和 WordWideTelescope 能识别海底结构分布 , 并直接从图像浏览中输出。七、结论本文所论述的海底视像调查资料处理工作流程，经过 验证 , 整个操作流程具有稳定、可重复及响应迅速且易于使 用的特征 , 可以在海上对新数据进行及时评估，应用该操作 流程可以把现场ROV视像资料变为可提供更多有用的地质 学和定量的信息而不是视频帧了，这是 ? 全新的利用现场ROV视像资料的思路。通过3D可视模型构建，能够导出基本的野外地质信 息，如定量的地层学和大地构造等信息。该工作流程可以 获得海底标志物 （如海底露头 ） 的三维模型，并能在地理参 照坐标系内定量测量节理方向、地层构造、粒径大小和像 片臓等。近年