基于自适应阈值图像二值化的AUV水下对接导引灯光信号提取与识别方法与流程

基于自适应阈值图像二值化的auv水下对接导引灯光信号提取与识别方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于自适应阈值图像二值化的auv水下对接导引灯光信号提取与识别方法，具体来说，就是提出一种导引图像二值化的自适应阈值计算方法，在rgb颜色空间对导引图像进行二值化处理，提取图像中的导引灯，基于空间位置关系识别导引灯编号。


背景技术：

2.auv在进行作业时，自身可携带的能量是有限的，工作时间和工作能力严重受限，auv水下对接作为一种为auv提供能源补给和信息交换和维护保障的技术方案就显得十分必要。auv对接过程可以分为远距离归航和近距离对接两个阶段，在近距离对接中通常利用视觉手段来提取并识别图像中的导引灯，根据导引灯来控制auv对接运动，实现高精度准确率的水下对接，导引灯提取与识别为auv水下对接的一个关键技术。目前，相关研究大都采用经典的图像二值化方法来提取导引灯，这些方法对水下环境比较敏感，而且导引灯提取成功率较低，需要针对导引图像的特点展开导引图像处理方法的研究，提高导引灯提取成功率和环境适应能力。


技术实现要素：

3.本发明针对现阶段auv水下对接导引灯提取方法的不足，提出了基于自适应阈值图像二值化的auv水下对接导引灯光信号提取与识别方法。具体来说，就是提出一种导引图像二值化的自适应阈值计算方法，在rgb颜色空间对导引图像进行二值化处理，提取图像中的导引灯，基于空间位置关系识别导引灯编号。
4.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于自适应阈值图像二值化的auv水下对接导引灯光信号提取与识别方法，包括：
5.步骤1)采集导引图像，提取红色、绿色和蓝色分量，获取红色和绿色分量的反射图像，并与蓝色分量叠加求均值形成新的图像；
6.步骤2)计算新的图像二值化自适应阈值；
7.步骤3)基于图像二值化自适应阈值提取图像上的导引灯，并通过形态学处理提取导引灯连通区域，进一步获取导引灯图形；
8.步骤4)按照导引灯预设位置，识别导引灯图形编号，精确定位auv位置。
9.所述导引图像为水下拍摄的包含对接导引灯的图像，所述导引灯搭载在对接坞上，用于通过拍摄灯光位置定位导引灯在图像上的像素位置。
10.所述导引灯为1个或若干个按照预定位置安装在auv载体外侧。
11.在图像二值化之前还包括对当前导引图像在rgb空间内进行如下图像预处理步骤：
12.a.基于retinex算法提取红色和绿色分量的反射图像，并与蓝色分量进行叠加再求均值，用于避免自适应阈值图像二值化提取导引灯后引起导引灯缺失或连通面积过小，
或相邻导引灯连成一片；b.高斯滤波处理。
13.所述自适应阈值定义为将图像投影曲面中的波峰最大值与波谷最大值的差值；所述波峰值通过计算图像中局部最大值获得，所述波谷值通过计算图像中局部最小值获得。
14.所述基于图像二值化自适应阈值提取图像上的导引灯包括：对于当前图像基于自适应阈值逐像素处理为二值图像。
15.所述按照导引灯预设位置，识别导引灯图形编号，包括：
16.步骤4-1)计算每个导引灯连通区域中心坐标，将之作为该导引灯图形的中心坐标；
17.步骤4-2)计算所有导引灯图形的中心坐标，作为坞站坐标系原点成像点，根据导引灯编号识别规则识别图像上各个导引灯图形的位置编号。
18.所述导引灯编号识别规则是在导引灯预设安装时，根据导引灯在坞站坐标系的已知空间位置关系对导引灯分象限进行的位置编号。
19.本发明具有以下有益效果及优点：
20.本发明能够解决auv水下对接导引灯提取与识别问题。本发明给出了导引图像二值化自适应阈值的计算方法，在rgb彩色空间实现了基于图像自适应阈值二值化的导引灯提取，基于空间位置关系识别了导引灯的编号，为基于图像的auv水下对接控制提供了感知手段。
附图说明
21.图1为导引图像；
22.图2为导引图像b分量；
23.图3为导引图像b分量映射的三维曲面；
24.图4为小阈值导致导引灯连成一片示意图；
25.图5为大阈值导致导引灯缺失示意图；
26.图6为预处理后图像；
27.图7为基于rgb空间的自适应阈值导引灯提取流程；
28.图8为导引灯提取结果；
29.图9为坞站坐标系下导引灯位置及编号；
30.图10为图像中导引灯编号识别规则；
31.图11为图像中导引灯编号识别结果。
具体实施方式
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
33.除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
34.主要方法包括：
35.(1)导引图像二值化自适应阈值定义及计算。提取了图像的b分量，将之映射为一个三维曲面，通过分析导引图像b分量三维曲面的特点，给出了导引图像二值化自适应阈值的定义和计算方法。
36.(2)基于自适应阈值图像二值化的导引灯提取。从导引图像中提取了其r、g、b三个分量，利用retinex算法获取了r和g分量得反射图像，并与b分量叠加求均值，获得了新的图像进行二值化处理计算了二值化自适应阈值，将高于该阈值点像素值设为“1”，其余的设为“0”，对二值化图像进行了形态学处理，提取导引灯。
37.(3)导引灯编号识别。从导引灯连通区域内提取了每个导引灯的中心，根据每个导引灯像素坐标，计算了坞站坐标系原点的像素坐标，根据导引灯在坞站坐标系的编号，提出了一种基于空间位置关系图像中导引灯编号识别规则，对导引灯进行识别。
38.所提出的“基于自适应阈值图像二值化的auv水下对接导引灯提取与识别方法”，其实施过程包括：
39.具体实施方式一：结合图1-3说明导引图像二值化自适应阈值计算方法。
40.如图1所示，由于水对不同波长的光的吸收能力不同，导致图像整体偏绿，导引灯呈现蓝色，因此，利用蓝色分量进行导引灯提取的研究，导引图像的蓝色b分量如图2所示，由此可以发现导引灯的b值明显高于背景区域。
41.图像任意一点的像素坐标以(u,v)进行表示，对应的b值以b(u,v)进行表示，以一个像素为分辨率，映射成如图3所示的三维曲面，图中导引灯区域存在8个波峰与波谷，通过提取波峰的位置和数值，可以获得导引灯的最大b值和该值对应的位置，根据波峰和波谷的数值来选取图像二值化阈值，对导引图像进行二值化，其阈值t为
42.t＝(p
max-v
max
)/2 v
max
ꢀꢀꢀ
(1)
43.其中，p
max
＝max(pi)为所有波峰值pi中的最大值，v
max
＝max(vi)为所有波谷值vi中的最大值。
44.具体实施方式二：结合图4-8说明导引灯提取方法。
45.根据自适应阈值对图像进行二值化处理，将大于该阈值的像素赋值为“1”，小于该阈值的像素赋值为“0”，即
[0046][0047]
其中fb(u,v)为二值化图像，fo(u,v)为b分量图像。
[0048]
由于导引灯为蓝色，且灯光逐渐发散，当机器人距离坞站较近时，会产生相邻导引灯中间区域均为蓝色，图像的b分量中某两个导引灯区域之间的波谷值较大，使得阈值数值较高，导致二值化图像中某个导引灯缺失或连通面积过小，如图4所示，或者是计算的阈值数值较小，导致二值化图像中某些相邻导引灯连成一片，从而引起二值化图像进行形态学处理后导引灯数量不足，如图5所示。
[0049]
为了解决该问题，将红色与绿色分量进行retinex增强处理，去除各自的入射图像，获得红色分量与绿色分量的反射图像，将二者与与蓝色分量进行叠加求均值，得到预处理后图像，结果如图6所示，然后利用预处理后图像代替蓝色分量进行二值化处理，对二值
图像进行开运算，填充空洞，连通区域面积滤波等处理，计算每个连通区域中心点，作为导引灯位置，处理流程如图7所示，结果如图8所示。
[0050]
具体实施方式三：结合图9-11说明导引灯编号识别方法。
[0051]
导引灯在坞站坐标系下位置及编号如图9所示，根据各个导引灯与中心之间的相对位置关系来确定导引灯的与实际坐标空间中的导引灯匹配关系，识别导引灯编号。
[0052]
计算每个联通区域的中心坐标作为每个导引灯的像素位置，即
[0053][0054]
其中，(ui,vi)表示第i个导引灯的坐标，ωi表示第i个导引灯的连通区域，u表示图像横坐标，v表示图像纵坐标，ni表示连通区域ωi的像素点数量。
[0055]
采用基于像素坐标归一化特征点匹配法，建立以中心点o为坐标系原点建立中心点坐标系,那么中心点o坐标为
[0056][0057]
其中，n
l
表示导引灯数量。
[0058]
本实施例中，导引灯安装在对接坞外侧，且各个导引灯位于以对接坞为中心的圆上，根据导引灯的空间位置关系，制定了如图10所示的图像中导引灯编号识别规则，根据计算的中心点o的坐标和8个导引灯的坐标来判断导引灯编号，通过对比导引灯坐标与中心点o的坐标值的大小来判断导引灯位于哪个象限，若导引灯的横坐标u和纵坐标v均大于中心点的横、纵坐标，则该导引灯位于第一象限，类似的，判断出所有导引灯所处的坐标象限，每个象限会存在两个导引灯，在每个象限内，通过对比两个导引灯的坐标位置来确定导引灯编号，以第一象限导引灯为例进行说明，对比两个导引灯纵坐标值的大小，大的编号为4，小的编号为3，按照图10所示编号判定规则可完成导引灯编号识别，结果如图11所示。
[0059]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。