《基于雙目視覺的水下連接器位姿測量方法》論文發表期刊：《艦船科學技術》；發表周期：2021年07期

《基于雙目視覺的水下連接器位姿測量方法》論文作者信息：陳瑞 (1994−)，男，碩士研究生，研究方向為水下機器人與機器視覺。

　　摘要：水下連接器的對接作業是水下工程作業的重要環節，針對目前依靠攝像機傳回視頻進行作業過程中存在的操作難度大、依賴操作員經驗的問題，設計基于雙目視覺的水下連接器位姿測量方法。該方法首先根據水下連接器的顏色特征確定檢測范圍，之后在檢測范圍中以水下連接器為模板進行初步定位，然后根據水下連接器端面的成像特點檢測橢圓特征，并進行雙目匹配獲得相關三維點坐標，最后計算得出水下連接器的位姿。實驗表明，該方法位置測量平均誤差1.3%，姿態測量平均誤差3.50，可以較好地為水下連接器對接作業提供參考。

　　關鍵詞：水下作業;雙目視覺;雙目匹配;位姿測量

　　Abstract: The docking operation of underwater connectors is an important part of underwater engineering operations In view of the problems existing in the operation process of relying on the video returned by the camera, such as the difficulty of operation and the dependence on the operator's experience, a method of underwater connector pose measuremen based on binocular vision is designed. This method firstly determines the detection range according to the color characteristics of the underwater connector, and then uses the underwater connector as the template for prel iminary positioning in the detection range, then detects the ellipse characteristics of the end face of the underwater connector, and carries out binocula matching to obtain the relevant three-dimensional point coordinates. and finally calculates the position and orientation of the underwater connector. Experiments show that this method has an average position measurement error of 1.3% and an attitude measurement average error of3.50 which can provide a good reference for underwater connector docking operations.

　　Key words: underwater operation: binocular vision: binocular matching; pose measurement

　　0引言

　　隨著我國經濟的快速發展，海上運輸量逐年大幅度增長，船舶碰撞事故時有發生，因此出于海洋環保的需要，必須將沉船攜帶或裝載的大量燃油或液體危險化學品回收，否則會造成嚴重的海洋污染事件。由于沉船結構與海底環境的復雜，此類水下作業需要封堵、開孔、切割、抽液等各類應急處置工具及遙控式作業型水下機器人(ROV)進行協同作業。在作業過程中不同的工具往往需要使用不同的接口，因此需要操作員使用ROV搭載的機械手完成相關接口的變換及對接工作。

　　目前水下連接器對接作業過程中，主要由操作員根據ROV搭載的攝像設備傳回的視頻在母船上遠程操控機械手完成相關作業，這種作業方式存在的主要問題是攝像設備傳回的視頻多為二維視頻，操作員難以直觀地判斷水下連接器是否對齊，是否可以對接。由于缺少了深度這一維度的信息，不得不由操作員依據自身的經驗在實際水下空間多次嘗試完成作業，或者由操作員借助多個攝像設備傳回不同角度的二維視頻進行作業，但是這樣的作業方式需要操作員作業時同時關注多個視頻畫面，操作員操作難度較大，要求操作員有較高的操作水平。

　　隨著計算機視覺技術的發展，視覺定位技術得到了越來越廣泛的應用。視覺定位技術根據使用攝像機的數目分為單目、雙目和多目視覺定位技術。目前使用的單目視覺技術要求已知目標物的尺寸，因此只適用于形狀規則的簡單目標物中;雙目視覺定位相對于單目定位可以更精確地重現目標物的三維坐標，更好地模擬人類雙眼視物的過程;雙目視覺定位相對于多目定位更加簡單易行。因其具有非接觸測量、自動化程度高等優點，在機器人定位、智能工廠等1領域取得了很好的應用效果。在水下工程領域，殷莉甜2設計了基于雙目視覺的水下焊接系統，并在水箱中進行了初步試驗，分析了水質與測量距離對定位精度的影響;王從政(1]設計了應用于核電站的燃料組件變形檢測系統，該系統可以測量核電站燃料組件的長度，較好地監控燃料組件的變形情況;盛明偉 提出了一種基于雙目視覺的水下測距方法，并在水池中對水下機械手進行了測距實驗，以上研究大多關注被測對象的位置或三維坐標等信息，對于姿態的研究較少。針對水下連接器對接工作的特殊性，為提高該作業的效率，降低操作人員作業難度，本文首先根據水下連接器的顏色特征確定檢測范圍，之后在檢測范圍中以水下連接器為模板進行初步定位，然后根據水下連接器端面的成像特點檢測橢圓特征，并進行雙目匹配獲得相關三維點坐標，最后計算得出水下連接器的位姿，從而為操作員完成對接工作提供參考。

　　1原理與方法

　　本文設計的方法首先根據水下連接器的顏色特征確定檢測范圍，之后在檢測范圍中以水下連接器為模板進行初步定位，然后根據水下連接器端面的成像特點檢測橢圓特征，并進行雙目匹配獲得相關三維點坐標，最后分別計算得出水下連接器的位姿。

　　1.1雙目測量原理

　　雙目立體視覺根據三角測量法，即對2臺攝像機進行標定，獲取其內、外參數之后，通過左、右視圖中的一對同名像素點，獲取其對應的空間三維坐標。如圖2所示，OL，OR分別是左右相機的光心，PL，PR分別是空間點P在左右相機上的成像點，b是左右相機之間的距離，即基線長度，f是相機的焦距。

　　1.2 標定與校正

　　理想情況下的攝像機小孔成像模型要求相機光軸在圖像的中心，并且相機在x，y方向的縮小系數應保持一致，但是實際情況下，相機制造過程中不可避免存在器件誤差與安裝誤差，這種誤差由相機的內參數描述。此外，為了獲得更好的成像效果，相機中往往要加入透鏡，這會導致相機成像的畸變。為了消除這些影響，需要對相機進行標定獲得相機的內參數及畸變系數，從而進行圖像校正。另一方面，雙目相機在安裝過程中造成的位姿誤差以及基線長度需要用外參數描述。因此還需對雙目相機進行立體標定，并用立體標定得到的外參數進行立體校正從而保證左右圖像的對應點在同一水平極線。

　　本文采用OpenCV開源庫對雙目相機進行標定及立體標定1，并對圖像進行校正及立體校正1，如圖3所示，左圖像棋盤格點A及其對應點右圖像棋盤格點A'不在同一水平極線上，經過圖像校正后，左圖像棋盤格點B及其對應點B在同一水平極線上。

　　1.3位置測量算法

　　水下連接器接口端面存在一系列圓形插孔，這些插孔可以作為圖像模板匹配的特征進行初步定位。模板匹配是一種常用的模式識別方法，它將需要檢測的物體作為模板圖像，從左至右、從上至下地計算模板圖像與原圖像重疊的子圖像之間的匹配度，最終在原始圖像中選擇匹配度最大的子圖像作為匹配結果。考慮到水下連接器在原始圖像中較小，對原始圖像進行模板匹配計算代價較大，本文首先根據水下連接器的顏色特征在原始圖像上選定部分檢測范圍，之后進行模板匹配，從而達到加速計算的目的。

　　此外，考慮到拍攝角度的影響，水下連接器接口端面在成像時會被投影為橢圓，因此本文采用橢圓檢測算法17)獲得橢圓中心的圖像坐標，圖4展示了使用該算法在水下作業中對水下連接器進行橢圓檢測的結果。之后根據式(2)~式(4)可以得出橢圓中心的三維坐標，最后以橢圓中心的三維坐標作為水下連接器接口的位置坐標。

　　1.4姿態測量算法

　　本文以水下連接器端面法向量為準描述水下連接器的姿態信息。理論上3個不共線的點可以確定一個平面，但在實際中，這樣做容易導致平面法向量受少數點誤差的影響存在較大誤差。因此需要根據之前檢測的特征橢圓的一系列邊緣點的三維坐標擬合水下連接器的端面法向量。

　　為了獲得橢圓邊緣點的三維坐標，需要進行邊緣點選取與立體匹配。如圖5所示，本文采取的選點策略：在完成圖像校正與立體校正的圖像中，以縱坐標為準每隔一定距離在左圖像上選擇一系列邊緣點P，P2..P，同時在右圖像相同縱坐標處選擇與左圖像邊緣點的橫坐標相近的點作為左圖像的匹配點。此外，考慮到邊緣取點的均衡性，相鄰水平線上的點分別取在橢圓的左半部分和右半部分。

　　由此可以根據水下連接器端面的橢圓邊緣點坐標計算得出水下連接器的姿態。

　　2 實驗與結果分析

　　為了驗證本文方法位姿測量算法的有效性，設計并搭建了水下連接器位姿測量實驗裝置。該實驗裝置主要包括水箱、棋盤格標定板、水下連接器、固定裝置及支柱，其中支柱與固定裝置可以保證水下連接器的端面與棋盤格標定板處于同一平面。由于棋盤格標定板的格點可以方便的識別從而獲得其三維坐標，因此棋盤格標定板可以作為測量的基準。

　　2.1位置測量實驗

　　在位置測量實驗中，以棋盤格左上角格點為起點水下連接器中心點為終點，通過雙目立體匹配分別求出水下連接器中心坐標與棋盤格左上格點坐標，根據兩點距離公式求出其距離，并與實測距離進行比較。之后，調整水下連接器的位置，進行多次實驗，相關實驗數據如表1所示。

　　2.2姿態測量實驗

　　在姿態測量實驗中，保持水下連接器端面與實驗平臺平面重合，改變雙目相機的拍攝視角，從而模擬水下連接器的不同姿態。為驗證本文算法的有效性，以棋盤格標定板法向量為基準，將其與本文算法計算得出的水下連接器法向量相比較，相關實驗數據如表2所示，其中誤差為兩向量的夾角。圖6展示了第4次實驗兩平面在三維空間的情況。

　　2.3實驗結果與誤差分析

　　經過實驗驗證，本文設計的方法可以獲得水下連接器在對接過程中的位姿信息，其中位置測量平均誤差1.28%，姿態測量平均誤差3.50，從而為水下連接對接提供參考。其中誤差的主要來源有：1)投影橢圓擬合誤差，由于實驗中水下連接器防水層存在一定厚度，投影橢圓實質上是橢圓環，因此會對橢圓檢測造成干擾;2)相機標定誤差，相機標定得到的內參數往往帶有誤差，通常情況下，在畫面的中間成像效果會更好一些，表1中第3及第4次實驗水下連接器在畫面中間時誤差較小也驗證了這一點。

　　3結語

　　水下連接器對接作業是水下工程作業的重要環節，目前該作業主要由操作員根據水下攝像機傳回的視頻進行遠程作業，這種作業方式存在操作難度大，依賴操作員經驗的問題。為此本文將雙目視覺測量技術用于水下連接器的對接作業，實驗結果表明本文位姿測量方法在水下機械手作業范圍內誤差滿足相關對接要

　　求，可以較好地為水下連接器對接作業提供參考。

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