水下空間三維光譜成像儀及成像方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種水下空間三維光譜成像儀及成像方法，成像儀的底座上開有滑槽，所述滑槽的前端安裝有前端永磁鐵，所述滑槽的后端安裝有后端永磁鐵；所述支架安裝在底座的滑槽上；所述支架內(nèi)裝有電磁鐵；所述密封艙安裝于支架上方；所述水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x固定于密封艙外側(cè)，用于測(cè)量水體的衰減系數(shù)；所述成像光譜儀鏡頭透過玻璃窗口采集水下光譜圖像；所述成像光譜儀、電磁鐵和水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x均與控制單元相連。本發(fā)明成像方法是通過前后兩位置的光譜圖像，結(jié)合水體特性，計(jì)算物體的空間三維信息，并補(bǔ)償水體對(duì)光譜圖像的影響。本發(fā)明能在精確探測(cè)水下物體光譜信息的同時(shí)，計(jì)算出物體的空間三維信息，精度高，數(shù)據(jù)量大。
【專利說明】
水下空間三維光譜成像儀及成像方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及水下光譜成像儀，尤其涉及一種水下空間三維光譜成像儀及成像方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 光譜成像儀將空間信息與光譜探測(cè)相結(jié)合，是一種有效的探測(cè)手段，目前已經(jīng)廣 泛運(yùn)用于陸地上的目標(biāo)識(shí)別、生物評(píng)估、環(huán)境檢測(cè)等。但將其用于水下目標(biāo)探測(cè)時(shí)，由于水 體對(duì)不同波段的光衰減不同，通常直接獲取的光譜信息并不能直接反應(yīng)目標(biāo)物體的光譜信 息。目前用于水下成像的高光譜成像系統(tǒng)(CN 203444122 U，US Patent 8,767,205)通常需 要與水下測(cè)距裝置協(xié)同工作，方可補(bǔ)償水體的影響，獲取水下光譜圖像信息。且由于其成像 僅為方式僅為成像面探測(cè)，故只能得到二維的像面信息，并不能獲取物體的空間三維信息， 故無法感知物體的位置、表面凹凸等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種水下空間三維光譜成像儀及成像方法，在 獲取物體光譜圖像的同時(shí)，探測(cè)目標(biāo)上每個(gè)點(diǎn)與光譜儀之間的空間距離，從而獲取空間三 維信息，并根據(jù)距離補(bǔ)償水體對(duì)光譜的衰減。
[0004] 為了解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種水下空間三維光譜 成像儀，包括前端永磁鐵、底座、密封艙、成像光譜儀鏡頭、成像光譜儀、后端永磁鐵、電磁 鐵、支架、水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x、控制單元;其中，所述底座上開有滑槽，所述滑槽的前端安 裝有前端永磁鐵，所述滑槽的后端安裝有后端永磁鐵;所述前端永磁鐵和后端永磁鐵的磁 極相反;所述支架安裝在底座的滑槽上，沿滑槽滑動(dòng);所述支架內(nèi)裝有電磁鐵;所述密封艙 安裝于支架上方，所述密封艙上開有用于安裝玻璃的玻璃窗口；所述成像光譜儀和控制單 元均安裝在密封艙內(nèi)；所述水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x固定于密封艙外側(cè)，用于測(cè)量水體的衰減 系數(shù);所述成像光譜儀鏡頭安裝在成像光譜儀上，所述成像光譜儀鏡頭透過玻璃窗口采集 水下光譜圖像;所述成像光譜儀、電磁鐵和水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x均與控制單元相連。
[0005] 進(jìn)一步的，還包括數(shù)據(jù)輸出接口；所述數(shù)據(jù)輸出接口安裝在密封艙殼體上，數(shù)據(jù)輸 出接口與控制單元相連。
[0006] 進(jìn)一步的，所述控制單元包括電源、控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊;所 述電源為整個(gè)系統(tǒng)提供工作電壓;所述成像光譜儀、水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x、控制模塊和數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)模塊均與數(shù)據(jù)處理模塊相連;所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與數(shù)據(jù)輸出接口相連。
[0007] -種利用上述的光譜成像儀的成像方法，包括以下步驟：
[0008] (1)水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)量水體的光譜衰減系數(shù)〇〇1{)仏6(1，1 1))，\1{為衫皮段的 中心波長(zhǎng)，k為正整數(shù)，η為波段數(shù)；
[0009 ] (2)控制模塊控制電源中電流的方向使電磁鐵的磁極朝向與前端永磁鐵相反，則 成像光譜儀移動(dòng)到底座的前端，拍攝導(dǎo)軌靠前位置時(shí)的光譜圖像;改變電磁鐵中電流流向， 則成像光譜儀移動(dòng)到底座的后端，拍攝導(dǎo)軌靠后位置時(shí)的光譜圖像；
[0010] (3)使用SIFT算法對(duì)步驟(2)所采集的兩組光譜圖像作位置匹配；
[0011] (4)根據(jù)步驟（1)所得的光譜衰減系數(shù)和步驟(3)所得的位置匹配后的光譜圖像， 計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置與相機(jī)之間的距離;記某一點(diǎn)（x，y)在底座前端的光譜響應(yīng)為If (x，y，Ak)(ke (I，n))，后端的光譜響應(yīng)為Ib(x，y，Ak)(ke (I，n))，計(jì)算點(diǎn)（x，y)與相機(jī)之間 的距離D(x，y)，獲得空間三維信息;計(jì)算公式如下：
[0012]
[0013]其中，A1，λ2，…，λη為波長(zhǎng)，Lq為前后兩個(gè)成像位置之間的距離；
[0014] (5)根據(jù)步驟(4)計(jì)算所得的距離D(x，y)，補(bǔ)償水體對(duì)光譜的衰減，獲得水下物體 的真實(shí)光譜，計(jì)算公式如下：
[0016]其中，1。&，7，人1〇(6(1，11))為點(diǎn)(1，3〇在\1{波段經(jīng)補(bǔ)償后的光譜強(qiáng)度；
[0017] (6)將步驟(4)得到的空間三維信息與步驟(5)得到的真實(shí)光譜信息進(jìn)行匹配，獲 取三維空間光譜信息Ic(x，y，D，An)。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:光譜成像系統(tǒng)廣泛運(yùn)用于陸地上的植被、 農(nóng)作物監(jiān)測(cè)，礦物識(shí)別，地形地貌觀測(cè)等領(lǐng)域，但在水下運(yùn)用時(shí)，由于水體對(duì)不同波段的光 有不同的衰減特性，且隨著距離不同，衰減程度也會(huì)發(fā)生變化，因此成像光譜儀不能直接獲 得準(zhǔn)確的光譜?，F(xiàn)有的水下成像光譜系統(tǒng)工作時(shí)，需要額外的測(cè)距裝置，且無法獲取每個(gè)像 素點(diǎn)與相機(jī)之間的距離。本發(fā)明的系統(tǒng)通過光譜數(shù)據(jù)處理的算法，獲取每個(gè)像素點(diǎn)的水下 距離，并根據(jù)該距離補(bǔ)償光譜數(shù)據(jù)，從而獲取包含每個(gè)像素點(diǎn)空間三維位置，以及光譜數(shù)據(jù) 的信息，不但能用于水下生物監(jiān)測(cè)、礦物識(shí)別、目標(biāo)防偽，也能同時(shí)獲取水下物體的三維圖 像、水下地勢(shì)地貌等，在豐富采集信息量的同時(shí)，避免了額外的測(cè)距裝置。
【附圖說明】
[0019] 圖1是水下空間三維光譜成像儀的主視圖；
[0020] 圖2是水下空間三維光譜成像儀的左視圖；
[0021 ]圖3是水下空間三維光譜成像儀的體統(tǒng)框圖；
[0022]圖中，前端永磁鐵1、支架2、光譜儀密封艙3、成像光譜儀鏡頭4、成像光譜儀5、后端 永磁鐵6、電磁鐵7、支架8、數(shù)據(jù)輸出接口 9、水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x10、控制單元11。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0024] 如圖1、2所示，本發(fā)明包括前端永磁鐵1、底座2、密封艙3、成像光譜儀鏡頭4、成像 光譜儀5、后端永磁鐵6、電磁鐵7、支架8、數(shù)據(jù)輸出接口 9、水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x10、控制單元 11;其中，所述底座2上開有滑槽，所述滑槽的前端安裝有前端永磁鐵1，所述滑槽的后端安 裝有后端永磁鐵6;所述前端永磁鐵1和后端永磁鐵6的磁極相反;所述支架8安裝在底座2的 滑槽上，沿滑槽滑動(dòng);所述支架8內(nèi)裝有電磁鐵7;所述密封艙3安裝于支架8上方，所述密封 艙3上開有用于安裝玻璃的玻璃窗口；所述成像光譜儀5和控制單元11均安裝在密封艙3內(nèi)； 所述水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x10固定于密封艙3外側(cè)，用于測(cè)量水體的衰減系數(shù);所述成像光譜 儀鏡頭4安裝在成像光譜儀5上，所述成像光譜儀鏡頭4透過玻璃窗口采集水下光譜圖像;所 述成像光譜儀5、電磁鐵7和水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x10均與控制單元11相連。所述數(shù)據(jù)輸出接 口 9安裝在密封艙3殼體上，數(shù)據(jù)輸出接口 9與控制單元11相連。
[0025] 所述控制單元11包括電源、控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊;所述電源為 整個(gè)系統(tǒng)提供工作電壓;所述成像光譜儀5、水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x10、控制模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 模塊均與數(shù)據(jù)處理模塊相連;所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與數(shù)據(jù)輸出接口 9相連。
[0026] 本實(shí)施例中電源可以采用松下公司LC-RA127R2型號(hào)的產(chǎn)品，但不限于從;控制模 塊可以采用西門子公司S7-300PLC信號(hào)的產(chǎn)品，但不限于從;數(shù)據(jù)處理模塊可以采用酷道公 司K7DUE Sam3x8e信號(hào)的產(chǎn)品，但不限于從;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊可以采用上海易芯公司AT25040 信號(hào)的產(chǎn)品，但不限于從。
[0027] 一種利用上三維光譜成像儀成像的方法，包括以下步驟：
[0028] (1)水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x10測(cè)量水體的光譜衰減系數(shù)a(Ak)(ke (I，n))，AkSk波段 的中心波長(zhǎng)，k為正整數(shù)，η為波段數(shù)；
[0029] (2)控制模塊控制電源中電流的方向使電磁鐵7的磁極朝向與前端永磁鐵1相反， 則成像光譜儀5移動(dòng)到底座2的前端，拍攝導(dǎo)軌靠前位置時(shí)的光譜圖像;改變電磁鐵7中電流 流向，則成像光譜儀5移動(dòng)到底座2的后端，拍攝導(dǎo)軌靠后位置時(shí)的光譜圖像；
[0030] (3)使用SIFT算法對(duì)步驟(2)所采集的兩組光譜圖像作位置匹配；
[0031] (4)根據(jù)步驟（1)所得的光譜衰減系數(shù)和步驟(3)所得的位置匹配后的光譜圖像， 計(jì)算每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置與相機(jī)之間的距離;記某一點(diǎn)（ x，y)在底座前端的光譜響應(yīng)為If (x，y，Ak)(ke (I，n))，后端的光譜響應(yīng)為Ib(x，y，Ak)(ke (I，n))，計(jì)算點(diǎn)（x，y)與相機(jī)之間 的距離D(x，y)，獲得空間三維信息;計(jì)算公式如下：
[0032]
[0033] 其中，A1，λ2，…，\"為波長(zhǎng)，Lo為前后兩個(gè)成像位置之間的距離；
[0034] (5)根據(jù)步驟(4)計(jì)算所得的距離D(x，y)，補(bǔ)償水體對(duì)光譜的衰減，獲得水下物體 的真實(shí)光譜，計(jì)算公式如下：
[0035]
[0036] 兵甲，IcU，y，慫八e (1，
η))73 ? U，y)仕蚌汲杈泣補(bǔ)償后的光譜強(qiáng)度；
[0037] (6)將步驟(4)得到的空間三維信息與步驟(5)得到的真實(shí)光譜信息進(jìn)行匹配，獲 取三維空間光譜信息Ux，y，D，A n)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種水下空間Ξ維光譜成像儀，其特征在于，包括前端永磁鐵（1)、底座（2)、密封艙 (3)、成像光譜儀鏡頭(4)、成像光譜儀(5)、后端永磁鐵(6)、電磁鐵(7)、支架(8)、水體衰減 系數(shù)測(cè)量?jī)x(10)、控制單元(11)等;其中，所述底座(2)上開有滑槽，所述滑槽的前端安裝有 前端永磁鐵(1)，所述滑槽的后端安裝有后端永磁鐵(6);所述前端永磁鐵(1)和后端永磁鐵 (6)的磁極相反;所述支架(8)安裝在底座(2)的滑槽上，沿滑槽滑動(dòng);所述支架(8)內(nèi)裝有電 磁鐵(7);所述密封艙(3)安裝于支架(8)上方，所述密封艙(3)上開有用于安裝玻璃的玻璃 窗口；所述成像光譜儀(5)和控制單元（11)均安裝在密封艙(3)內(nèi)；所述水體衰減系數(shù)測(cè)量 儀（10)固定于密封艙(3)外側(cè)，用于測(cè)量水體的衰減系數(shù);所述成像光譜儀鏡頭(4)安裝在 成像光譜儀(5)上，所述成像光譜儀鏡頭(4)透過玻璃窗口采集水下光譜圖像;所述成像光 譜儀(5)、電磁鐵(7)和水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x(10)均與控制單元(11)相連。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下空間Ξ維光譜成像儀，其特征在于，還包括數(shù)據(jù)輸出接口 (9);所述數(shù)據(jù)輸出接口（9)安裝在密封艙(3)殼體上，數(shù)據(jù)輸出接口（9)與控制單元（11)相 連。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水下空間Ξ維光譜成像儀，其特征在于，所述控制單元（11)包 括電源、控制模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊;所述電源為整個(gè)系統(tǒng)提供工作電壓;所 述成像光譜儀(5)、水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x(10)、控制模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊均與數(shù)據(jù)處理模塊 相連;所述數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊與數(shù)據(jù)輸出接口（ 9)相連。4. 一種利用權(quán)利要求3所述的水下空間Ξ維光譜成像儀的成像方法，其特征在于，包括 W下步驟： (1) 水體衰減系數(shù)測(cè)量?jī)x(10)測(cè)量水體的光譜衰減系數(shù)α(λkKkEα，n))，λk為k波段的 中屯、波長(zhǎng)，k為正整數(shù)，η為波段數(shù)； (2) 控制模塊控制電源中電流的方向使電磁鐵(7)的磁極朝向與前端永磁鐵（1)相反， 則成像光譜儀(5)移動(dòng)到底座(2)的前端，拍攝導(dǎo)軌靠前位置時(shí)的光譜圖像;改變電磁鐵(7) 中電流流向，則成像光譜儀(5)移動(dòng)到底座(2)的后端，拍攝導(dǎo)軌靠后位置時(shí)的光譜圖像； (3) 使用SIFT算法對(duì)步驟(2)所采集的兩組光譜圖像作位置匹配； (4) 根據(jù)步驟（1)所得的光譜衰減系數(shù)和步驟(3)所得的位置匹配后的光譜圖像，計(jì)算 每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置與相機(jī)之間的距離;記某一點(diǎn)（x，y)在底座前端的光譜響應(yīng)為If (x，y， 入〇化￡(1，11))，后端的光譜響應(yīng)為16^，7，人〇化￡(1，11))，計(jì)算點(diǎn)^，7)與相機(jī)之間的距離 D(X，y)，獲得空間Ξ維信息;計(jì)算公式如下：其中，λι，λ2, . . .，λη為波長(zhǎng)，Lo為前后兩個(gè)成像位置之間的距離； (5) 根據(jù)步驟4計(jì)算所得的距離D(x，y)，補(bǔ)償水體對(duì)光譜的衰減，獲得水下物體的真實(shí) 光譜，計(jì)算公式如下：其中，1。片，7，人〇(￡(1，11))為點(diǎn)^，7)在人1^波段經(jīng)補(bǔ)償后的光譜強(qiáng)度； (6)將步驟4得到的空間Ξ維信息與步驟5得到的真實(shí)光譜信息進(jìn)行匹配，獲取Ξ維空 間光譜信息Ic(x，y，D，An)。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK105841813SQ201610310421
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年5月11日
【發(fā)明人】宋宏, 郭乙陸, 魏賀, 劉洪波, 楊萍, 方美芬, 冷建興
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué), 杭州電子科技大學(xué), 杭州藍(lán)科光電科技有限公司