吳艷青

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引言

海洋工程試驗(yàn)設(shè)備的水下攝像系統(tǒng)是為水下科學(xué)試驗(yàn)而研制的，用于監(jiān)控水下試驗(yàn)過程和記錄水下電視圖像，供試驗(yàn)現(xiàn)場調(diào)試參考和對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行分析研究［1］。

圖像抖動(dòng)會(huì)造成圖像模糊、觀察困難、視覺疲勞，為獲得直觀、清晰、穩(wěn)定的圖像反饋，克服設(shè)備在高速運(yùn)行中產(chǎn)生的低頻抖動(dòng)和水流引起的圖像模糊扭曲，是水下攝像系統(tǒng)設(shè)計(jì)首要考慮的問題。

目前設(shè)計(jì)的某項(xiàng)海洋工程試驗(yàn)設(shè)備規(guī)模大、復(fù)雜程度高、動(dòng)作快速，并需對(duì)水下動(dòng)作的機(jī)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)觀察。本文在充分研究該項(xiàng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)特征的基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)減震和電子穩(wěn)像兩種技術(shù)應(yīng)用到水下攝像系統(tǒng)的抖動(dòng)補(bǔ)償中，保證了海洋工程試驗(yàn)設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行。

1 現(xiàn)有技術(shù)及其存在的問題

成像鏈路的各種缺陷，如光學(xué)系統(tǒng)和成像器件本身設(shè)計(jì)的局限性、加工裝校的誤差、工作溫度的變化、平臺(tái)振動(dòng)、傳播介質(zhì)(如水流、氣流)的實(shí)時(shí)變化等環(huán)境因素的不穩(wěn)定和空間景物層次的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，都會(huì)造成圖像的模糊，即像質(zhì)退化［2］。

目前，常規(guī)型水下監(jiān)控設(shè)備強(qiáng)調(diào)在結(jié)構(gòu)防水、入水深度等方面的特殊處理。多數(shù)設(shè)備在視頻圖像的抖動(dòng)、扭曲、信號(hào)干擾、視角不到位以及使用壽命不長等問題上無法進(jìn)行有效處理。

水下攝像系統(tǒng)的攝像機(jī)安裝在水下鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)上。平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度較快，體積龐大，工作時(shí)存在輕微振動(dòng)現(xiàn)象。因此，攝像機(jī)需要承受水流的沖擊以及鋼結(jié)構(gòu)平臺(tái)振動(dòng)所引起的浪涌。

攝像機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，會(huì)引起視頻圖像抖動(dòng)，特別是低頻振動(dòng)。常規(guī)的水下攝像機(jī)采用鏡頭、速度等方法，對(duì)高頻振動(dòng)有一定的抑制作用，對(duì)低頻振動(dòng)或晃動(dòng)無效。

視頻抖動(dòng)會(huì)影響實(shí)際監(jiān)控結(jié)果，造成操作人員判斷失誤，給現(xiàn)場作業(yè)帶來安全隱患。因此，水下攝像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行及維護(hù)的監(jiān)測管理尤為重要。

2 抖動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)原理

對(duì)于上述水下攝像系統(tǒng)問題，主要采用兩種類型的抖動(dòng)補(bǔ)償技術(shù):結(jié)構(gòu)減震和電子穩(wěn)像(electric image stabilization，EIS)。

2.1 結(jié)構(gòu)減震

結(jié)構(gòu)減震也就是所說的被動(dòng)穩(wěn)像，采用減震裝置來隔離載體的振動(dòng)［3］。結(jié)構(gòu)減震運(yùn)用高強(qiáng)度機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，要求攝像系統(tǒng)的抗震動(dòng)、抗沖擊力強(qiáng)，適合水中作業(yè)的大型機(jī)械設(shè)備使用;能在各種惡劣環(huán)境中使用，具有多功能監(jiān)視特性。

2.2 電子穩(wěn)像

電子穩(wěn)像(EIS)就是利用日益成熟的數(shù)字圖像處理的方法對(duì)圖像進(jìn)行處理，達(dá)到穩(wěn)定圖像輸出的目的［4］。當(dāng)本設(shè)備關(guān)鍵視頻圖像模糊不清時(shí)，主要通過電子穩(wěn)像的抖動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)來獲取圖像的運(yùn)動(dòng)矢量，以便進(jìn)行穩(wěn)像處理。

當(dāng)攝像機(jī)等輸入設(shè)備捕捉實(shí)際的畫面時(shí)，就產(chǎn)生了數(shù)字圖像(即由像素點(diǎn)陣構(gòu)成的位圖)。圖像序列的運(yùn)動(dòng)可以分解為沿水平方向的運(yùn)動(dòng)Δx、沿豎直方向的運(yùn)動(dòng)Δy和以圖像中心為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度θ。因此在選定基準(zhǔn)圖像的前提下，后續(xù)圖像相對(duì)于基準(zhǔn)圖像的運(yùn)動(dòng)可以依照上述3個(gè)分量進(jìn)行計(jì)算，從而確定后續(xù)圖像的穩(wěn)像補(bǔ)償量。

電子穩(wěn)像的原理是提取基準(zhǔn)圖像的特征點(diǎn)M(x，y)，在后續(xù)圖像中尋找特征點(diǎn)M'(x'，y')與基準(zhǔn)圖像的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配［4］。因此，利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高精度的穩(wěn)定動(dòng)態(tài)圖像［5］，需要通過對(duì)其中每個(gè)像素點(diǎn)的顏色或者是亮度等進(jìn)行數(shù)字化的描述，從而得到可以進(jìn)行處理、供試驗(yàn)人員進(jìn)行人眼觀測的畫面。

采用電子穩(wěn)像技術(shù)，在不增加硬件的前提下，用軟件就可確保圖像處理的實(shí)時(shí)性，并在下一幅圖像采集進(jìn)來前完成相關(guān)數(shù)據(jù)處理。

與傳統(tǒng)的光學(xué)穩(wěn)像、機(jī)械穩(wěn)像相比，電子穩(wěn)像具有易于操作、更精確、更靈活、成本低、智能化等特點(diǎn)［6］。

3 系統(tǒng)方案簡介

水下攝像系統(tǒng)共有10路水下視頻信號(hào)，分別經(jīng)過專用視頻抖動(dòng)補(bǔ)償設(shè)備后傳輸至監(jiān)控室的視頻矩陣。該系統(tǒng)采用Palco帶環(huán)接輸出的視頻矩陣(32進(jìn)6出)。將環(huán)接輸出的視頻信號(hào)連接至硬盤錄像機(jī)(16路嵌入式)，同時(shí)將分屏顯示信號(hào)作為輸入，再接入監(jiān)控室的視頻矩陣。

視頻矩陣的2路輸出分別接到2臺(tái)監(jiān)視器，可實(shí)現(xiàn)多畫面實(shí)時(shí)顯示與循環(huán)切換顯示方式的圖像監(jiān)視模式。播放速率為每路25幀/s，同時(shí)支持單幀進(jìn)退、快進(jìn)快退、倍速(2×、4×、1/2、1/4)等效果。同時(shí)硬盤錄像機(jī)支持邊錄邊監(jiān)視、邊錄邊回放功能，還可連接備用的RJ45以太網(wǎng)口(10 MB/100 MB自適應(yīng))進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)視頻相關(guān)服務(wù)。如多服務(wù)器多分控聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)回放服務(wù)器的錄像文件，通過網(wǎng)絡(luò)開、關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)主機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等，同時(shí)可進(jìn)行功能擴(kuò)展。

攝像系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flowchart of the system

3.1 水下攝像頭要素

水下攝像頭采用具有堅(jiān)固構(gòu)造的鋁合金HE30T6標(biāo)準(zhǔn)外殼的攝像頭，其內(nèi)部無可移部件，具有抗沖擊和耐震動(dòng)能力。攝像頭體積小，可減小水流沖擊的面積。同時(shí)，攝像頭自帶LED照明功能，發(fā)光效率高，使用壽命超過50000 h。

由于水的折射比空氣大，攝像機(jī)畫面視角比在空氣中窄1/4左右，因此攝像頭選擇帶高透鏡率的廣角透鏡，可在較廣泛范圍內(nèi)觀察水下運(yùn)行機(jī)構(gòu)。

攝像頭水平分辨率為480電視線，低信噪比，感光度為0.02 lux，景物亮度為 0.28 lux，傳感器類型為隔行傳送1/4英寸(1英寸=25.4 mm)電荷耦合元件(charge-coupled device，CCD)圖像傳感器，視角控制為36°(水中對(duì)角線)。

另外，利用自動(dòng)快門和自動(dòng)增益控制(automatic gain control，AGC)可得到更好的光補(bǔ)償效果。

3.2 水下線材要素

水下線材采用水下專用線纜組件C-2301。該線纜組件可保證系統(tǒng)在水下連續(xù)、長期地穩(wěn)定工作;保證系統(tǒng)在傳輸圖像時(shí)能夠屏蔽各種干擾，抗擊水流沖擊，確保圖像傳輸?shù)木取?/p>

水下攝像系統(tǒng)的視頻信號(hào)通過水下專用線纜傳輸至水面以上，再轉(zhuǎn)接至SYV75-7的監(jiān)控專用線纜，送達(dá)遠(yuǎn)端監(jiān)控室。這樣既能保證視頻信號(hào)質(zhì)量，也能最大程度地節(jié)省工程費(fèi)用。

3.3 水下專用照明要素

水下高速攝像具有其特殊性，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:①光受到水的吸收等因素影響，在水中傳播隨距離增加按指數(shù)形式衰減;②另外，散射作用使水下物體影像的對(duì)比度下降，圖像容易變得模糊，造成水下實(shí)際觀測距離變?。?］。因此，必須提供水下照明設(shè)備，保證水下高速攝像機(jī)的正常工作。

水下專用照明要素主要由配置光源、選擇照明的位置和照射方向3方面組成。

水下不同深度的光照度可用式(1)進(jìn)行估算:

式中:Ⅰ為水下深度在z處的照度;Ⅰ0為水面的光照度;z為水下的深度;k(λ)為水衰減系數(shù)，它隨波長λ變化而變化。

如果海水混濁，其透明度小于4 m，則同深度的光照度要減少一個(gè)數(shù)量級(jí)。當(dāng)然，水下照度也會(huì)隨太陽位置、云層情況發(fā)生變化，所以水下30 m處的照度一般為5～20 lux，水下40 m 處的照度一般為1 ～5 lux［8］。

類比現(xiàn)場條件，水下自然光照條件十分差，因此，須根據(jù)水下30～40 m處光照度特點(diǎn)，設(shè)置合適的水下照明設(shè)計(jì)方案［7］。同時(shí)兼顧考慮上部鋼結(jié)構(gòu)對(duì)光線的遮擋，將專用水下照明燈安裝在攝像頭附近位置，進(jìn)一步保證水下攝像的光照度，同時(shí)使環(huán)境散色達(dá)到最低［8］。

4 系統(tǒng)抖動(dòng)補(bǔ)償要點(diǎn)

4.1 結(jié)構(gòu)減震措施

攝像系統(tǒng)共采用以下3種結(jié)構(gòu)減震的措施。

第一種:雙層攝像機(jī)房。采用高剛度的抗震鋼結(jié)構(gòu)，減弱或消除外部沖擊力對(duì)內(nèi)部攝像機(jī)的影響。兩層之間進(jìn)行了隔振設(shè)計(jì)，使精密攝像裝置保持處于相對(duì)穩(wěn)固的環(huán)境;攝像機(jī)房密封設(shè)計(jì)，降低了水下較多不良因素對(duì)攝像機(jī)的侵害;雙層結(jié)構(gòu)可抵御溫度變化，有效防止電子部件的損壞，使其處在最優(yōu)工作環(huán)境。

第二種:隔振設(shè)計(jì)。首先，雙層攝像機(jī)房中兩層之間進(jìn)行隔振設(shè)計(jì)，逐級(jí)減弱或消除振動(dòng)影響。同時(shí)，雙層攝像機(jī)房與安裝結(jié)構(gòu)底座之間設(shè)置吸振能量高的裝置，以隔斷水流沖擊的影響，起到隔振作用。其次，水下攝像裝置與安裝結(jié)構(gòu)底座之間也設(shè)置吸振能量高的裝置，起到隔振作用，用于多級(jí)阻斷水下設(shè)備移動(dòng)對(duì)水下攝像裝置的影響。

第三種:使水下攝像裝置及雙層攝像機(jī)房的固有頻率遠(yuǎn)離工程試驗(yàn)設(shè)備的固有頻率(工程試驗(yàn)設(shè)備相應(yīng)固有頻率根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行具體有限元計(jì)算獲得)，從而避免由設(shè)備振動(dòng)造成的水下攝像裝置和雙層攝像機(jī)房的同步共振。

4.2 電子穩(wěn)像技術(shù)載體

采用電子視頻抖動(dòng)補(bǔ)償裝置進(jìn)行圖像處理，能自動(dòng)調(diào)整攝像頭監(jiān)視位置，且抗搖動(dòng)、抗擺動(dòng)，尤其是能消除固定相機(jī)的結(jié)構(gòu)震動(dòng)(低頻振動(dòng))，能在抖動(dòng)狀態(tài)的作業(yè)中得到穩(wěn)定的圖像效果，從而提供高質(zhì)量實(shí)時(shí)畫面。

電子視頻抖動(dòng)補(bǔ)償裝置使用在前端設(shè)備和后端設(shè)備之間，以便為后端設(shè)備提供清晰穩(wěn)定的圖像。前端設(shè)備主要為彩色、黑白、紅外、熱成像等攝像機(jī)，后端設(shè)備主要為DVR、矩陣切換器、顯示器等。

穩(wěn)定的圖像提供了更有利于壓縮的視頻源。在相同的碼流下，后端的數(shù)字視頻記錄設(shè)備可獲得壓縮比更高的圖像質(zhì)量。

4.3 圖像處理的計(jì)算方法選擇及算法順序

圖像處理的運(yùn)算量很大，如果全盤搜索圖像，位移運(yùn)算量會(huì)更大。因此，需選擇圖像的特征點(diǎn)，找出圖像有限部分的特征點(diǎn)，降低圖像需要處理的像素，提高運(yùn)算速度。

在圖像處理過程中，計(jì)算方法為基于圖像特征點(diǎn)的方法?；趫D像特征點(diǎn)的算法順序如下。

①采樣運(yùn)動(dòng)視頻中選定的某一幀畫面，將其作為首要參考值，按照特征值排序，并從中提取相應(yīng)數(shù)目的特征點(diǎn)。

②針對(duì)每個(gè)特征點(diǎn)，利用前一幀中對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)進(jìn)行匹配對(duì)比，獲得該特征點(diǎn)在兩幅相鄰圖像的偏移量。

③對(duì)所有特征點(diǎn)的偏移量進(jìn)行處理，消除運(yùn)動(dòng)方向不一致的偏移量，并根據(jù)其余特征點(diǎn)的平均偏移量對(duì)后一幅圖像進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，獲得穩(wěn)定后的圖像。

④ 重復(fù)上述偏移量的查找和對(duì)比步驟［3］。

4.4 圖像特征點(diǎn)的提取與匹配

如果任何時(shí)間的一幅圖像表示函數(shù)為z=f(x，y)，其在所見平面區(qū)域D內(nèi)具有一階偏導(dǎo)數(shù)，則對(duì)于屬于區(qū)域D的每點(diǎn)P(x，y)都可定義出一個(gè)向量，這一向量就稱為函數(shù)z=f(x，y)在點(diǎn)P(x，y)的梯度。

特征值的計(jì)算基礎(chǔ)為圖像在x方向和y方向的梯度數(shù)據(jù)。

本方案選擇圖像亮度有明顯變化的點(diǎn)，也就是采用圖像中與相鄰部分有明顯區(qū)別的點(diǎn)，同時(shí)也是一些相鄰像素的集合。而邊緣線是比較符合的特征區(qū)域，因?yàn)閳D像邊緣是區(qū)域?qū)傩缘慕唤缣?，也是區(qū)域?qū)傩园l(fā)生突變的地方［3］。邊緣主要存在于目標(biāo)與目標(biāo)之間，是圖像分割、紋理特征提取和形狀特征提取等圖像分析的重要基礎(chǔ)［9］。

利用圖像二維梯度搜索技術(shù)，找到最大的匹配度所需要的圖像位移調(diào)整值，即通過特征點(diǎn)匹配獲得所有有效特征點(diǎn)在兩個(gè)圖像幀的坐標(biāo)，進(jìn)而可以快速、準(zhǔn)確地找到抖動(dòng)補(bǔ)償所需的二維位移結(jié)果。找出每幅圖像發(fā)生的抖動(dòng)偏移量后，利用軟件的圖像顯示進(jìn)行每幅圖像的動(dòng)態(tài)位置調(diào)整。

4.5 特征值采樣方法

本系統(tǒng)采用的是480電視線攝像系統(tǒng)，即視頻分辨率為640×480，而特征值選取采用隔點(diǎn)采樣，因此采樣得到的圖像為320×240的圖像［3］。該采樣方法可加快運(yùn)算速度，保證實(shí)時(shí)性。

4.6 抖動(dòng)補(bǔ)償模式

校正模式設(shè)置為X/Y方向抖動(dòng)的校正，即上下左右4個(gè)方向和X/Y方向的矢量方向校正。

補(bǔ)償速度可設(shè)置為快、中、慢3種。為適應(yīng)水下設(shè)備高速運(yùn)行的特點(diǎn)，主要采用快、中兩種模式。這兩種模式適合對(duì)視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，不犧牲圖像分辨率(即清晰度)。

由于系統(tǒng)在振動(dòng)頻率過高或幅度過大的情況下無法進(jìn)行有效防抖，因此，事先設(shè)置一個(gè)關(guān)于系統(tǒng)的光學(xué)成像設(shè)計(jì)，確定攝像機(jī)的視覺范圍和最大可防止的抖動(dòng)頻率和幅度。當(dāng)出現(xiàn)振動(dòng)頻率過高或幅度過大的狀況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)還原出原始圖像，并在圖像的右上角出現(xiàn)一個(gè)紅色的小圓點(diǎn)進(jìn)行提示。此外，也可通過調(diào)整攝像機(jī)的視覺范圍，減小振動(dòng)頻率或幅度。

4.7 圖像輸出延時(shí)時(shí)間設(shè)置

人的視覺延遲感應(yīng)時(shí)間一般在0.2～0.4 s之間，而圖像輸出延遲時(shí)間通常小于0.1 s，其小于人的視覺延遲感應(yīng)時(shí)間，對(duì)人而言幾乎沒有時(shí)間延遲。因此，設(shè)置圖像輸出延遲時(shí)間小于0.03 s，系統(tǒng)就可以確保實(shí)時(shí)控制。

5 結(jié)束語

上述抖動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)為該項(xiàng)海洋工程試驗(yàn)設(shè)備的水下攝像系統(tǒng)提供了高質(zhì)量、清晰的實(shí)時(shí)畫面，保證了操作人員對(duì)關(guān)鍵部件的觀察效果。但當(dāng)外界的噪聲加入到圖像中時(shí)，會(huì)降低圖像質(zhì)量，干擾圖像的可測性，給后續(xù)圖像的邊緣檢測工作造成極大影響［10］。今后需要在這方面加強(qiáng)研究。

目前系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)正常，為外圍輔助配套系統(tǒng)的正常使用奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，該系統(tǒng)在具有震動(dòng)、移動(dòng)、沖擊運(yùn)動(dòng)的大型裝卸設(shè)備上也可推廣應(yīng)用。

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