一种水下物体探测方法及系统

技术领域

本发明属于水下探测技术领域，更具体地，涉及一种水下物体探测方法及系统。

背景技术

水下物体探测用于在水下环境中寻找、识别和监测各种物体，包括潜水器、沉船、水下文物、生物、矿物资源等，在海洋科学、水下考古学、水下资源勘探、潜水救援和军事应用中具有重要价值。

由于水下环境的复杂性和危险性，现阶段逐步采用机器人水下探测代替人工水下探测，与人工检测相比，机器人检测不仅具有高度的持久力和耐力，精准度和一致性，而且在可以探测某些危险和有害的环境，而无需威胁人员生命安全。

现有的水下探测机器人常搭配声纳、摄像头、声学传感器等来获取环境信息，以进行水下探测。但是由于水下环境的复杂、机器人的运动会造成泥沙的扰动以及水质、浊度和光线条件的限制，导致一般的摄像头拍出的图像信息失去作用，无法进行准确地水下探测。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种水下物体探测方法及系统，用以解决现有技术无法准确地实现水下探测的技术问题。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种水下物体探测方法，包括：

S1、获取探测图像P中形状为参考形状的区域，并将其中心点作为候选点；其中，探测图像P为通过视触探测器在水下探测过程中实时采集的图像；视触探测器一端设置有视觉传感器，另一端封闭，侧面设置有弹性接触层；接触层内侧设置有均匀分布的标记点；视觉传感器的拍摄视野固定，覆盖整个接触层内侧；参考形状为标记点在参考图像中所呈现的形状；参考图像为未进行探测时视触探测器所采集的图像；

S2、将距离最小的候选点与参考点进行配对，得到点对集；参考点为参考图像中标记点区域的中心点；

S3、当点对集中存在距离大于第一预设位移的点对时，判定接触层接触到物体，则对于点对集中距离大于第二预设位移的点对：利用候选点周向位移的最大偏移，对候选点的最大极角和最小极角的平均值进行补偿，作为接触点的极角；计算极径差异最大的点对中的候选点的极径与该极径差异之和，作为接触点的极径；基于接触点的极径和极角，得到物体的位置；第二预设位移大于第一预设位移。

进一步优选地，当s

当s

其中，θ

进一步优选地，视触探测器整体呈锥形或圆台形；当视触探测器整体呈锥形时，视觉传感器设置在锥形的底面；当视触探测器整体呈圆台形时，视觉传感器设置在端面面积较大的一端；

接触层内侧设置有沿着视触探测器轴向方向等间隔排布的多圈均匀分布的标记点。

进一步优选地，上述标记点为圆形标记点；上述参考形状为椭圆形。

进一步优选地，视觉传感器的拍摄视野还覆盖视触探测器的另一端，每次拍摄时，视触探测器的另一端出现在所拍摄图像的固定位置处，其中心点记为点O；极径和极角均为以O点为极点的极径和极角。

进一步优选地，弹性接触层为透明弹性接触层；视觉传感器的拍摄视野还覆盖弹性接触层外部的水下环境。

进一步优选地，上述水下物体探测方法，还包括：在步骤S1之前执行的步骤S0，包括：判断探测图像P中是否存在目标物体，若是，则转至步骤S1；否则，移动视触探测器，直至探测图像P中存在目标物体，转至步骤S1。

进一步优选地，步骤S3还包括：当点对集中存在距离小于或等于第一预设位移的点对时，移动视触探测器，转至步骤S1；

步骤S3还包括：当获取到物体的位置后，移动视触探测器，转至步骤S1，以进行下一次探测。

第二方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时执行本发明第一方面所提供的水下物体探测方法。

第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时执行本发明第一方面所提供的水下物体探测方法。

第四方面，本发明提供了一种水下物体探测系统，包括：

视触探测器，其一端设置有视觉传感器，另一端封闭，侧面设置有弹性接触层；接触层内侧设置有均匀分布的标记点；视觉传感器的拍摄视野固定，覆盖整个接触层内侧；

处理模块，用于执行本发明第一方面所提供的水下物体探测方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供了一种水下物体探测方法，设计了一种视觉和触觉结合的视触探测器，一端设置有拍摄视野固定、且覆盖整个接触层内侧的视觉传感器，侧面设置有弹性接触层，在接触到物体时会发生形变；接触层内侧设置有均匀分布的标记点，当接触层发生形变后，视觉传感器所拍摄的图像中的标记点相对于发生形变之前的参考图像中的对应标记点位置会发生位移；在此基础上，本发明基于标记点位移信息来计算接触点位置，而接触点位置即对应物体位置，以此实现物体探测；在整个探测过程中，视觉传感器着重拍摄接触层内侧图像，无需获取水下环境中物体的清楚图像即可实现定位，受水下环境影响较小，探测地准确性较高。

2、进一步地，本发明所提供的水下物体探测方法，利用候选点周向位移的最大偏移，对候选点的最大极角和最小极角的平均值进行补偿，根据候选点的极角与θ

3、进一步地，本发明所提供的水下物体探测方法，所设计的视触探测器整体呈锥形或圆台形，将视觉传感器设置在视触探测器的合适位置，能够最大限度地覆盖整个接触层内侧。当视触探测器整体呈锥形时，将视觉传感器设置在锥形的底部，这样可以确保视野覆盖整个接触层内侧，而当视触探测器整体呈圆台形时，将视觉传感器设置在面积较大的一端，同样能够实现良好的覆盖效果，这样的设计能够保证视觉传感器能够获得充分的信息，从而更准确地捕捉标记点的位置变化。除此之外，视触探测器整体呈锥形或圆台形的设计使得它们更容易适应不同的水下环境和探测任务。锥形或圆台形的形态可以减少水流对探测器的影响，同时也能够更好地适应不同形状和尺寸的探测目标。

4、进一步地，本发明所提供的水下物体探测方法，在接触层内侧设置有沿着视触探测器轴向方向等间隔排布的多圈均匀分布的标记点，能够确保标记点的布局均匀，并且能够覆盖整个探测区域，这样的设计可以提高了标记点的检测率和准确性，从而增强整个探测系统的性能。

5、进一步地，本发明所提供的水下物体探测方法，弹性接触层为透明弹性接触层，视觉传感器的拍摄视野还覆盖弹性接触层外部的水下环境，通过该设计，能够更好地指导视触探测器进行水下探测，比如当视野中出现物体、但还未接触到该物体时，可以通过物体出现在视野中的大致方位指导视触探测器向该物体移动，并触碰该物体；另外，还可以指导视触探测器触碰物体的方式，以使得有且仅有一个触碰点，从而进一步提高探测准确性。除此之外，当预先设定好探测目标时，还可以预先对出现在视野中的物体是否为目标物体进行判断，以过滤掉非目标物体。

附图说明

图1为本发明提供的一种水下物体探测方法流程图；

图2为本发明一实施方式所提供的视触探测器的正视角示意图；

图3为本发明一实施方式所提供的探测图像P的示意图；

图4为本发明实施例提供的基于视触觉结合的水下物体探测方法流程与；

图5为本发明实施例提供的Sobel算子的卷积核示意图；

图6为本发明实施例提供的接触点位置的计算流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

为了实现上述目的，第一方面，如图1所示，本发明提供了一种水下物体探测方法，包括：

S1、获取探测图像P中形状为参考形状的区域，并将其中心点作为候选点；其中，探测图像P为通过视触探测器在水下探测过程中实时采集的图像；视触探测器一端设置有视觉传感器，另一端封闭，侧面设置有弹性接触层，在接触到物体时，弹性接触层产生形变；接触层内侧设置有均匀分布的标记点；视觉传感器的拍摄视野固定，覆盖整个接触层内侧，用于在水下探测过程中实时采集的图像，作为探测图像；参考形状为标记点在参考图像中所呈现的形状，根据拍摄视角确定；参考图像为未进行探测时视触探测器所采集的图像；需要说明的是，标记点的形状可以为圆形、正方形、长方形等，这里不做限定。

需要说明的是，视觉传感器在视触探测器一端位置不做限定，只需要保证视觉传感器的拍摄视野固定，且覆盖整个接触层内侧。在实际探测过程中，设置有视觉传感器的一端在下，还是在上也并不做限定；优选地，在上，以降低视觉传感器被碰撞的概率。

需要说明的是，视触探测器可以整体呈锥形、圆台形、梯柱形等；优选地，在一种可选实施方式下，视触探测器整体呈锥形或圆台形；此时，接触层内侧设置有沿着视触探测器轴向方向等间隔排布的多圈均匀分布的标记点(在一种可选实施方式下，相邻两圈标记点之间间隔1-2cm，在同一圈中标记点之间间隔40°)；当视触探测器整体呈锥形时，视觉传感器设置在锥形的底面，优选设置为底部中心位置；当视触探测器整体呈圆台形时，视觉传感器设置在端面面积较大的一端，优选设置在面积较大的一端的中心位置；这样设计可以使视觉传感器的拍摄视野更容易覆盖整个接触层内侧。此时，当上述标记点为圆形标记点时，上述参考形状为椭圆形。

如图2所示为一实施方式下的视触探测器的正视角示意图，本发明的视触觉传感器主体是支撑架501，模拟人的手指，来对物体进行触碰，主要包括触觉模块和视觉模块。触觉模块包括弹性接触层503，其内部标记有的绿色圆形标记，二者为一体固定于501支撑架上。视觉模块包括视觉传感器502(如摄像头)固定于支撑架底部，实时弹性接触层上的绿色圆形标记的图像。当触觉模块接触到物体时，产生的力使接触层产生形变，进而导致绿色圆形标记产生形变，通过视觉模块拍到的照片来分析物体的触碰位置，完成水下物体探测。需要说明的是，视触探测器中内置有内置灯，可以集成在视觉传感器中，也可以设置在视触探测器中的其他位置处，在进行水下探测过程中，提供光照，以使视觉传感器能够清楚地采集图像。本实施方式下所采集的探测图像P如图3所示。

需要说的是，获取探测图像P中形状为参考形状的区域的方法有多种，可以通过目标检测方法(如YOLO系列算法、R-CNN系列算法等)实现，也可以先对图像进行边缘检测，然后再进行线条拟合，得到探测图像P中形状为参考形状的区域。其中，可选用的边缘检测方法有多种，比如Sobel算法、Prewitt算法、Canny算法、Roberts算法等。

S2、将距离最小的候选点与参考点进行配对，得到点对集；参考点为参考图像中标记点区域的中心点；

S3、当点对集中存在距离大于第一预设位移的点对时，判定接触层接触到物体，则对于点对集中距离大于第二预设位移的点对：利用候选点周向位移的最大偏移，对候选点的最大极角和最小极角的平均值进行补偿，作为接触点的极角；计算极径差异最大的点对中的候选点的极径与该极径差异之和，作为接触点的极径；基于接触点的极径和极角，得到物体的位置；其中，第二预设位移大于第一预设位移；周向位移为极径与极角的乘积。在得到接触点的极径和极角后，即可得到

在一种可选实施方式下，当s

当s

其中，θ

在一种可选实施方式下，视觉传感器的拍摄视野还覆盖视触探测器的另一端，每次拍摄时，视触探测器的另一端出现在所拍摄图像的固定位置处，可以选用其中的任意一个点，比如中心点，将其中心点记为点O；极径和极角均为以O点为极点的极径和极角，对应地，点对中每个点的位置坐标也是相对于O点的位置坐标。

在一种可选实施方式下，弹性接触层为透明弹性接触层；视觉传感器的拍摄视野还覆盖弹性接触层外部的水下环境。通过该设计，能够更好地指导视触探测器进行水下探测，比如当视野中出现物体、但还未接触到该物体时，可以通过物体出现在视野中的大致方位指导视触探测器向该物体移动，并触碰该物体；另外，还可以指导视触探测器触碰物体的方式，以使得有且仅有一个触碰点，从而进一步提高探测准确性。除此之外，当预先设定好探测目标时，还可以预先对出现在视野中的物体是否为目标物体进行判断，以过滤掉非目标物体，具体地，在一种可选实施方式下，上述水下物体探测方法，还包括：在步骤S1之前执行的步骤S0，包括：判断探测图像P中是否存在目标物体，若是，则转至步骤S1；否则，移动视触探测器，直至探测图像P中存在目标物体，转至步骤S1。

在一种可选实施方式下，步骤S3还包括：当点对集中存在距离小于或等于第一预设位移的点对时，移动视触探测器，转至步骤S1；

步骤S3还包括：当获取到物体的位置后，移动视触探测器，转至步骤S1，以进行下一次探测。

为了进一步说明本发明所提供的水下物体探测方法，下面结合一具体实施例进行详述：

参见图4所示，本发明实施例提供了一种基于视触觉结合的水下物体探测方法，包括以下步骤：

1)获取通过视触探测器在水下探测过程中实时采集的图像，记为输入图像；具体地，视触探测器中的视觉传感器(本实施例中采用VBTS传感器)以10帧每秒的频率对标记点进行拍摄，拍摄所得图像的尺寸为1980*1080，该图像为RGB图像，在实际情况中，拍摄的图像尺寸根据实际需要进行调整。本实施例以标记点为圆形为例，具体为绿色圆形标记。

2)将采集到的RGB图像转化为HSV图像，并对其进行灰度二值化，转化为灰度图像。

具体地，根据标记点的颜色设置HSV域的最大、最小阈值，将图像灰度二值化，位于HSV域的最大、最小阈值范围内的像素点灰度值设为255，为白色，阈值范围外的像素点灰度值设为0，为黑色。

3)参见图5所示，通过边缘检测的Sobel算子，将灰度图像的边缘检测出来：以两个3*3大小的卷积核遍历图像，来获得竖直和水平方向图像的边界，并以1：1的比例，对两个图像进行线性混合，得到的结果即为图像的边缘，进而拟合出图像边缘中的所有椭圆；

利用上述两个卷积核分别对x、y方向进行卷积，找出x、y方向上灰度值变化梯度幅值较大的点，对求得的结果进行取绝对值操作，转化为uint8，对取绝对值后的x、y方向的结果进行1：1的线性混合，得到的结果即为图像的边缘。

4)椭圆匹配，将输入图像和参考图像上的椭圆匹配，形成一个匹配椭圆对；其中，参考图像上的椭圆采用与输入图像相同的方式提取；

具体地，对于输入图像上的每一个椭圆，计算其与参考图像上每一个椭圆之间的中心距离，将距离最小的两个椭圆进行配对。

5)计算得出按压中心(接触点)的位置，进而得到物体的位置；

在计算按压中心的位置时，首先判断是否有物体接触到接触层，当匹配椭圆对集中存在距离大于第一预设位移的椭圆对时，判定接触层接触到物体，计算按压中心的位置：如图6所示，将各椭圆对映射到以点O为极点的极坐标系上；获取匹配椭圆对集中距离大于第二预设位移(第二预设位移大于第一预设位移)的所有椭圆对，记为第一椭圆对集合；本实施例中，第一预设位移和第二预设位移分别设定为5cm和10cm。

计算第一椭圆对集合中极径差异最大的椭圆对中的输入图像的椭圆中心点的极径与该极径差异之和，得到接触点的极径；

获取第一椭圆对集合中输入图像的椭圆中心点的最大极角θ

其中，当周向位移最大的椭圆对的极角大于θ

第二方面，本发明提供了一种电子设备，包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时执行本发明第一方面所提供的水下物体探测方法。

相关技术方案同本发明第一方面所提供的水下物体探测方法，这里不做赘述。

第三方面，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时执行本发明第一方面所提供的水下物体探测方法。

相关技术方案同本发明第一方面所提供的水下物体探测方法，这里不做赘述。

第四方面，本发明提供了一种水下物体探测系统，包括：

视触探测器，其一端设置有视觉传感器，另一端封闭，侧面设置有弹性接触层；接触层内侧设置有均匀分布的标记点；视觉传感器的拍摄视野固定，覆盖整个接触层内侧；

处理模块，用于执行本发明第一方面所提供的水下物体探测方法。

相关技术方案同本发明第一方面所提供的水下物体探测方法，这里不做赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。