本發明專利技術公開了一種光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機聯合仿真方法，涉及圖像領域。構建前視成像聲吶與雙目相機的視頻目標跟蹤系統；在Gazebo框架下導入雙目相機模型并加入目標，通過發布話題的方式利用ROS系統下一種顯示多種數據的三維可視化平臺—Rviz對左右目中的圖像進行觀測；模擬水下聲吶的工作過程，由Gazebo模擬器和機器人構建套件(ROCK)框架之間的集成組成虛擬場景，通過著色器渲染從OpenSceneGraph 3D場景幀中提取深度、強度緩沖及角度失真值的3通道矩陣，隨后進行融合和處理生成合成聲吶數據；計算水下目標在水下多傳感器檢測跟蹤系統坐標系和成像聲吶等坐標系下的測量值。本發明專利技術提供了基于角、線和形狀的特征檢測算法的聲吶模擬器，提高生成的聲吶圖像的逼真度。圖像的逼真度。圖像的逼真度。
【技術實現步驟摘要】
一種光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機聯合仿真方法
[0001]本專利技術涉及圖像領域，尤其涉及一種光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機聯合仿真方法。
技術介紹
[0002]當前，在水下操作與控制裝備領域具有重大發展需求。其中，面向水下無人作業的目標運動狀態估計是關鍵技術瓶頸之一。常用的自主水下航行器(AUV)常在透光區下方運行，具有高濁度和巨大的光散射，使得光學設備的圖像質量受到短距離、人工照明和清晰可見度條件的限制。為解決此限制，目前主要使用高頻聲吶應用于AUV的導航與感知系統。高頻聲吶發射的聲波受水衰減的影響較小，有助于在更大范圍內工作，即使在能見度低至零的情況下，刷新率也很快，但也有不足，如提供的噪聲數據分辨率較低，解釋難度較大。為方便研究，可以采用聲吶仿真，而現有的仿真方法，由于聲學物理的復雜性，往往需要很大的計算效率。近年來，隨著人工智能在各個領域的普及，水下操作與控制裝備獲得了進一步的發展。
[0003]因此，本領域的技術人員致力于開發一種光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機聯合仿真方法。考慮了深海領域中的環境特點，以及成像聲吶成像特點，設計一種基于光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機聯合仿真系統及方法，聲吶操作模擬允許評估算法和控制系統，無需進入真實的水下環境，降低了現場試驗的成本和風險，利用GPU上的OpenGL著色語言鏈解決了實時水下成像聲吶仿真問題，推動了水下無人仿真操作與控制技術的發展。
技術實現思路
[0004]有鑒于現有技術的上述缺陷，本專利技術所要解決的技術問題是實際水下聲吶實驗對硬件要求高，高頻聲吶數據解釋難度較大，聲吶仿真對計算效率要求高，提高生成圖像的逼真度。
[0005]為實現上述目的，本專利技術提供了一種光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機聯合仿真方法，包括以下步驟：
[0006]步驟1、構建基于前視成像聲吶與雙目相機的視頻目標跟蹤系統，完成傳感器插件的配置與仿真環境的搭建；
[0007]步驟2、在Gazebo框架下導入雙目相機模型并加入目標，通過發布話題的方式利用Rviz對左右目中的圖像進行觀測；
[0008]步驟3、通過計算機仿真的方式，模擬水下聲吶的工作過程，由Gazebo模擬器和機器人構建套件(ROCK)框架之間的集成組成虛擬場景，再通過著色器渲染從OpenSceneGraph 3D場景幀中提取具有深度、強度緩沖及角度失真值的3通道矩陣，隨后進行融合和處理以生成合成聲吶數據；
[0009]步驟4、基于多傳感器成像特性，計算水下目標在水下多傳感器檢測跟蹤系統坐標
系和成像聲吶坐標系下的測量值。
[0010]進一步地，所述步驟1包括以下步驟：
[0011]步驟1.1、設計基于光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機的水下目標仿真系統；
[0012]步驟1.2、在Gazebo框架內完成對仿真環境的配置。
[0013]進一步地，所述步驟1.1包括系統機構設計、傳感器插件設計、目標模型設計。
[0014]進一步地，所述步驟2包括以下步驟：
[0015]步驟2.1、啟動雙目相機元件的launch文件，應用于空的世界模型empty world中，并發布左右目圖像的話題，用于后續觀測成像；
[0016]步驟2.2、在empty world中向雙目相機朝向方向加入不同形狀的目標模型；
[0017]步驟2.3、啟動Rviz，分別對左右目所發布的話題進行接收，觀測目標在左右目中的成像。
[0018]進一步地，所述步驟3包括以下步驟：
[0019]步驟3.1、進行水下場景渲染，利用Rock
?
Gazebo集成提供的水下場景，加載模擬模型；
[0020]步驟3.2、進行聲吶渲染，使用虛擬攝像機對水下場景采樣，通過GPU上的著色器渲染計算參數；
[0021]步驟3.3、進行聲吶裝置的模擬操作，分割著色器矩陣，分別定義面元距離和回波強度；將散斑噪聲應用于聲吶數據，并對聲吶數據進行處理。
[0022]進一步地，所述步驟3.2計算參數包括聲吶視場、回波強度和脈沖距離。
[0023]進一步地，所述步驟4包括以下步驟：
[0024]步驟4.1、計算水下視頻目標在水下多傳感器檢測跟蹤系統坐標系下的測量值；
[0025]步驟4.2、計算水下視頻目標在成像聲吶坐標系下的測量值。
[0026]進一步地，所述雙目相機為橙色的立方體。
[0027]進一步地，所述雙目相機左右目發布的話題分別為left和right。
[0028]進一步地，所述目標形狀包括長方體與球體。
[0029]在本專利技術的較佳實施方式中，本專利技術克服實際水下聲吶實驗對硬件要求較高，且高頻聲吶數據解釋難度較大，而大多數聲吶仿真對計算效率要求較高的特點，提出一種利用光柵化管道的成像聲吶計算高效與成像逼真的特點和雙目相機光學特點的水下仿真系統與方法。
[0030]為達到上述目的，本專利技術提供一種基于光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機聯合仿真系統及方法，包括以下步驟：
[0031](1)設計并構建基于前視成像聲吶與雙目相機的視頻目標跟蹤系統，完成各個傳感器插件的配置與仿真環境的搭建；
[0032](2)在Gazebo框架下導入雙目相機模型并加入不同形狀的目標，通過發布話題的方式利用Rviz對左右目中的圖像進行觀測；
[0033]其中，雙目相機元件設計為一個橙色的立方體，雙目相機左右目發布的話題分別為left和right，目標形狀分別選用長方體與球體，分別進行觀測；
[0034](3)通過計算機仿真的方式，模擬水下聲吶的工作過程，由Gazebo模擬器和機器人構建套件(ROCK)框架之間的集成組成虛擬場景，再通過著色器渲染從OpenSceneGraph 3D
場景幀中提取具有深度、強度緩沖及角度失真值的3通道矩陣，隨后進行融合和處理以生成合成聲吶數據。
[0035]其中，成像聲吶模擬過程包括以下步驟：
[0036]1、專門作為聲吶設備的虛擬攝像機，對水下場景進行采樣；
[0037]2、通過GPU上的著色器渲染計算三個2D參數：聲吶視場、回波強度和脈沖距離；根據角度值，著色器信息被分成光束部分，bin距離和回波強度分別由距離直方圖和能量歸一化來定義；
[0038]3、將散斑噪聲應用于最終聲吶數據；
[0039]4、模擬聲學數據以Rock的數據類型呈現。
[0040](4)基于多傳感器成像特性，計算水下目標在水下多傳感器檢測跟蹤系統坐標系和成像聲吶等坐標系下的測量值。
[0041]步驟(1)進一步包括以下步驟：
[0042]首先，設計基于光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機的水下目標仿真系統，包含系統機構設計、傳感器插件設計、目標模型設計等；
[0043]其次，在Gazebo框架內完成對所需仿真環境的配置；
[0044]步驟(2)進一步包括以下步驟：
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【技術保護點】
【技術特征摘要】
1.一種光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機聯合仿真方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、構建基于前視成像聲吶與雙目相機的視頻目標跟蹤系統，完成傳感器插件的配置與仿真環境的搭建；步驟2、在Gazebo框架下導入雙目相機模型并加入目標，通過發布話題的方式利用Rviz對左右目中的圖像進行觀測；步驟3、通過計算機仿真的方式，模擬水下聲吶的工作過程，由Gazebo模擬器和機器人構建套件(ROCK)框架之間的集成組成虛擬場景，再通過著色器渲染從OpenSceneGraph 3D場景幀中提取具有深度、強度緩沖及角度失真值的3通道矩陣，隨后進行融合和處理以生成合成聲吶數據；步驟4、基于多傳感器成像特性，計算水下目標在水下多傳感器檢測跟蹤系統坐標系和成像聲吶坐標系下的測量值。2.如權利要求1所述的光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機聯合仿真方法，其特征在于，所述步驟1包括以下步驟：步驟1.1、設計基于光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機的水下目標仿真系統；步驟1.2、在Gazebo框架內完成對仿真環境的配置。3.如權利要求2所述的光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機聯合仿真方法，其特征在于，所述步驟1.1包括系統機構設計、傳感器插件設計、目標模型設計。4.如權利要求1所述的光柵化管道的前視成像聲吶與雙目相機聯合仿真方法，其特征在于，所述步驟2包括以下步驟：步驟2.1、啟動雙目相機元件的launch文件，應用于空的世界模型(empty world)中，并發布左右目圖像的話題，用于后續觀測成像；步驟2.2、在empty world中向雙目...
【專利技術屬性】
技術研發人員：潘漢，隋雪瓊，武霞，劉洋，敬忠良，黃健哲，頓向明，張雪，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發明
國別省市：
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