一种水下机器人的水下图像处理系统技术方案

本发明专利技术涉及一种水下机器人的水下图像处理系统，图像采集模块、FPGA模块以及显示模块；图像采集模块包括：LED灯组和摄像头模块；图像采集模块以及显示模块均与FPGA模块相连；通过图像采集模块采集水下图像，经FPGA模块处理，通过显示模块显示。本发明专利技术提出的一种水下机器人的水下图像处理系统，解决了水下图像系统的时滞性大、水下图像偏色严重、水下图像的后向闪射、水下图像对比度差、亮度低、体积大、能耗高的缺陷。

An Underwater Image Processing System for Underwater Vehicles

The invention relates to an underwater image processing system of an underwater vehicle, including an image acquisition module, a FPGA module and a display module; the image acquisition module includes an LED lamp group and a camera module; the image acquisition module and a display module are all connected with the FPGA module; the underwater image is collected by an image acquisition module, processed by the FPGA module, and displayed by a display module. The underwater image processing system of the underwater vehicle proposed by the invention solves the defects of the underwater image system, such as large time delay, serious color bias of the underwater image, backward flash of the underwater image, poor contrast of the underwater image, low brightness, large volume and high energy consumption.

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人的水下图像处理系统
本专利技术涉及水下图像处理领域，特别是一种水下机器人的水下图像处理系统。
技术介绍
目前，水下机器人大多数是采用有缆模式控制的水下机器人(rov)，就是通过脐带缆线来获得与母船上的上位机进行数据交换，获得水下机器人的水下图像资料和姿态信息和岸上的控制反馈信息，包括获得水下机器人的位置、姿态和深度信息；实现与母船上位机的数据实时的交互，人机画面的交互更加的生动具体，更加适合人眼识别特征的需求，有助于对水下复杂环境的准确判断和避免水下机器人水下事故的发生，以及避免水下机器人水下零浮力电缆的缠绕的发生，保证了操作的方便和事故的最大限度的减小。在生产和生活中水下图像系统广泛的被使用，主要是用来图像的采集，记录水下环境，通常采用的是普通相机或者是摄像机密封后直接用于水下，现在有直接防水的相机，但是不针对水下进行图像的处理和优化。现在的水下图像采集的系统是采集上岸之后通常采用个人计算机进行处理，需要人为的操作，提取自己感兴趣的部分优化，通常偏色严重，噪点多，亮度不均匀的情况普遍存在。所以，现在研究一种水下图像实时处理系统是很有使用价值和产品有广阔的前景。为了解决水下图像系统的时滞性大、水下图像偏色严重和水下图像的后向闪射、水下图像对比度差和亮度低的特点，并且克服了体积大、能耗高的特点，设计了这个水下图像实时处理系统。对于现在的水下图像采集领域可以得到满足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种水下机器人的水下图像处理系统，以克服现有技术中存在的缺陷。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种水下机器人的水下图像处理系统，包括：设置于水面下的图像采集模块与FPGA模块以及设置于水面上的显示模块；所述图像采集模块包括：LED灯组和摄像头模块；所述图像采集模块以及所述显示模块均与所述FPGA模块相连；通过所述图像采集模块采集水下图像，经所述FPGA模块处理，暂存于TF卡内或通过所述显示模块显示。在本专利技术一实施例中，所述摄像头模块具备密封有机玻璃罩，所述图像采集模块通过摄像头模块中的CMOS感光元件对水下的光学成像，采用的120°广角的玻璃组镜头；通过设置于摄像头模块四周的LED灯组进行灯光的补偿，环绕在球形摄像头罩四周的分别是两颗白光、红光、黄光和蓝光的LED灯；摄像头模块采用USB协议初始化寄存器，并将数据传输至所述FPGA模块。在本专利技术一实施例中，所述FPGA模块包括：PLL单元、LED控制模块、图像处理模块、IIC数据交换模块、USB传输模块、Flash数据交换模块、USB摄像头连接模块、控制模块、传感器模块、SDRAM、FIFO、TF卡数据存储模块、VGA接口模块、DDR3控制模块。在本专利技术一实施例中，所述FPGA模块采用基于灰度世界的偏色纠正；统计G、R、B三个通道所有的像素值，除以总的像素点的个数，得到的每个通道的平均值；获取三个通道的平均值greg；获取每个通道的增益因子；将原始输入的像素值乘以增益因子，映射出每一个像素点的新的值，获取三个通道处理后的最大值，除以8位宽通道的最大值255，获取偏色因子，判断偏色因子是否大于1.6；若大于，则对图片进行纠偏；若小于，则将图像像素值输出。在本专利技术一实施例中，所述FPGA模块通过如下步骤对采集的图像进行直方图均衡化：步骤S1：所采集的数据进行统计，采用3通道的数据，每个通道8位，总共是24bit的位宽，通过片外的DDR3构建双口RAM作为缓存储存器，根据摄像头模块的参数1280H×960V，地址的宽度设置为21位深度，每一个通道的数据分别是R、G、B像素值，大小位0-255的整数，数据的位宽为8位深度；在数据统计过程中，遇到相同的像素值，此像素个数+1，将获取的像素个数值重新写入RAM，如遇不相同像素值，继续往后面搜索；统计时利用FPGA的并行特点同时进行3个通道的像素个数的处理，统计一帧图像的值完毕之后，在下一帧图像来之前读出结果，再进行对RAM内数值的清零；步骤S2：对数据进行归一化，分别计算出每一个像素值所占的百分比，然后对各个像素值百分比由小到大依次排序，各个像素的像素个数已由上一步统计，之后对每个地址中的数值同时除以1228800，再进行概率累加，分别计算出各个像素值的累加概率；构建一个概率累加图，得到的一组数据范围为0～1的像素累加概率；步骤S3：对数据进行线性拉伸，产生新的数据，最后将最小像素的像素值记为最小值0，其它的依次和累加的概率相乘得到最终映射出来的像素值，完成直方图均衡。在本专利技术一实施例中，所述FPGA模块采用软核NIOSII实现图像处理，通过非局部均值滤波，消除水中浮游生物和悬浮颗粒产生的椒盐噪声；当前像素的估计值由图像中与其近似邻域结构的像素加权平均得到；设定两个固定大小的窗口，搜索窗口的大小和邻域窗口，设定窗口的半径分别为Ds和ds，邻域窗口在搜索窗口中滑动，根据邻域的相似性确定像素的权重。相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术解决了水下机器人的水下图像实时处理，包括图像采集、传输、储存、处理和显示等功能，包括了水下LED补光灯组的照明和控制电路，提供一种在水下成像系统的设备。在水下图像传输具有强的实时性，实时显示的图像符合人眼的识别特点，并且实现亮度适合、噪点低，在水下的能量消耗量小、体积小的目标。使用于水下机器人以及水下作业的一类产品，尤其是ROV、AUV之类的产品。采集图像影像资料和图像的实时传输对舵手的指示作用，以及本身携带电源的微小型水下设备。解决了现在水下图像处理传输速率慢，传输回来的图像不符合人眼的识别效果和偏色严重或者是亮度差，能耗消耗大和产品的体积大等特点。该装置还可以推广到水下娱乐，水下电视直播，水下考古，水下资源的勘探领域，产品具有广泛的需求量和使用价值。附图说明图1为本专利技术中水下图像处理系统的整体设计框图图2为本专利技术中图像采集模块机构设计是示意图。图3为本专利技术中FPGA设计模块框图。图4为本专利技术中FPGA板载外围资源示意图。图5为本专利技术中水下图像处理系统的功能示意图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术的技术方案进行具体说明。本专利技术提供一种基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)构建SoC系统所搭建的水下机器人的水下图像处理。本专利技术提出的系统属于水下图像处理领域，具体的说是水下图像实时处理系统的装置的一种，实现水下图像实时的处理和传输，如图1所示，该系统包括了水下机器人的图像采集、图像处理、和图像传输和图像显示的设计模块。水下摄像头采用高透度的有机玻璃罩密封，本专利技术使用在有缆水下机器人上，可以推广到水下其它各类产品中，主要用于图像的采集、图像的保存和图像的显示设备中。图像采集单元是获得初始化的图像，是采用密封的摄像头进行收集，并且有LED灯组进行灯光补偿。对于采集的图像通过两个渠道进行处理，第一是对摄像头获得的原始图像资粮存储在TF内存卡中，第二是采用全真彩色RGB8：8：8的色彩空间的方式传递给图像处理模块；图像处理模块通过Avalanche总线与NiOSII进行数据交换，在这里此模块中设计偏色算法的纠正；通过非局部均值滤波处理水中悬浮颗粒和浮游生物引起的椒盐噪声；之后再输出到FPGA的硬件编程中，通过硬件语言来实现直方图均衡化操作，使得视频流符合人眼的识别特点；之本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下机器人的水下图像处理系统，其特征在于，包括：设置于水面下的图像采集模块与FPGA模块以及设置于水面上的显示模块；所述图像采集模块包括：LED灯组和摄像头模块；所述图像采集模块以及所述显示模块均与所述FPGA模块相连；通过所述图像采集模块采集水下图像，经所述FPGA模块处理，暂存于TF卡内或通过所述显示模块显示。

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人的水下图像处理系统，其特征在于，包括：设置于水面下的图像采集模块与FPGA模块以及设置于水面上的显示模块；所述图像采集模块包括：LED灯组和摄像头模块；所述图像采集模块以及所述显示模块均与所述FPGA模块相连；通过所述图像采集模块采集水下图像，经所述FPGA模块处理，暂存于TF卡内或通过所述显示模块显示。2.根据权利要求1所述的一种水下机器人的水下图像处理系统，其特征在于，所述摄像头模块具备密封有机玻璃罩，所述图像采集模块通过摄像头模块中的CMOS感光元件对水下的光学成像，采用的120°广角的玻璃组镜头；通过设置于摄像头模块四周的LED灯组进行灯光的补偿，环绕在球形摄像头罩四周的分别是两颗白光、红光、黄光和蓝光的LED灯；摄像头模块采用USB协议初始化寄存器，并将数据传输至所述FPGA模块。3.根据权利要求1所述的一种水下机器人的水下图像处理系统，其特征在于，所述FPGA模块包括：PLL单元、LED控制模块、图像处理模块、IIC数据交换模块、USB传输模块、Flash数据交换模块、USB摄像头连接模块、控制模块、传感器模块、SDRAM、FIFO、TF卡数据存储模块、VGA接口模块、DDR3控制模块。4.根据权利要求1所述的一种水下机器人的水下图像处理系统，其特征在于，所述FPGA模块采用基于灰度世界的偏色纠正；统计G、R、B三个通道所有的像素值，除以总的像素点的个数，得到的每个通道的平均值；获取三个通道的平均值greg；获取每个通道的增益因子；将原始输入的像素值乘以增益因子，映射出每一个像素点的新的值，获取三个通道处理后的最大值，除以8位宽通道的最大值255，获取偏色因子，判断偏色因子是否大于1.6；若大于，则对图片进行纠偏；若小于，则将图像像素值输出。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伟林，胡跃，孙亚峰，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35