一种基于计算机视觉的红外超时相地雷探测系统和方法

1.本发明涉及计算机视觉领域，特别是涉及一种基于计算机视觉的红外超时相地雷探测系统和方法。


背景技术：

2.在抗战年代掌握住地形很大程度地掌握了战争的胜利，先发制人要先于对地形的掌控和对作战区的占有。地雷多分布在树林荒野之中。很多地雷的效用没有时间的限制，被埋藏的十几年甚至是上百年中都有可能会发生爆炸。现在的雷区需要专门的人看守，普通老百姓缺乏对地雷危害性的认识。一旦误入雷区，就有生命的威胁。地雷于普通的爆炸性武器不一样，他们被敌人埋藏在土中，在土地的表层很难被发现，而且埋藏的位置也很隐蔽，人一旦踩中之后会在几秒内发生爆炸，根本就没有可能在几秒钟之内逃离到安全的领域。毁灭性的爆炸对人的头乃至器官产生震裂性的伤害。
3.在抗战结束以后一直再进行着排雷的工作，经常有烈士的鲜血会撒在排雷的土地上，排雷是一个高危性的职业。因为埋藏的位置以及埋藏的个数都是不确定的，两三个雷经常会被埋在一起，成功排除第一个雷之后很容易引起第二个甚至是第三个雷的爆炸。而且在雷区内雷的密度是比较密集的，人们只能用几厘米几厘米的距离前进探索，而中国有雷隐患的区域是很多的，工作难度大和效率低造成了现在雷也没有被完全的排进，只能一点一点慢慢的来。中国还有很多地雷的探测装置。这些装置也不够足够的准确和安全。中国有地雷隐患的区域都在西部地区或者是高山荒地，地形的独特让排队工作更加困难。
4.不论是战时还是战后，地雷探测工作都十分的重要。现代地雷和布雷技术的快速发展正迫使探排雷技术必须加快发展的步伐。
5.现代电子探雷技术主要有雷达探雷、磁法探雷、红外成像探雷等，地雷材质和雷场环境对现有探雷技术具有很大限制。军事上传统使用的单兵排雷方法只能通过人工探听排雷，不仅效率低，且速度慢，错误率和漏检率高，而且对操作人员存在极大安全隐患。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种基于计算机视觉的红外超时相地雷探测系统和方法，以解决上述现有技术存在的问题，使探雷工作的人力与物资消耗减少的同时，提高远距离、多目标的掩埋式地雷探测技术的工作效率和准确率。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供一种基于计算机视觉的红外超时相地雷探测系统和方法：
9.一种基于计算机视觉的红外超时相地雷探测系统，包括红外采集单元、温湿度采集单元、主控单元、温湿度控制单元，其中：
10.红外采集单元包括红外相机、采集卡、黑体及控制器、直流电源，所述红外采集单元由红外相机对疑似埋有地雷的土壤进行红外数据采集，通过采集卡将数据传输至计算机端处理，每隔一段时间利用黑体对红外相机进行校准，直流电源负责为红外相机和黑体提
供电力支持；
11.温湿度采集单元包括温湿度传感器、主控核心、串口通信装置，所述温湿度采集单元通过埋设在土壤中的多路温湿度传感器实时获取到雷场土壤的温湿度信息，通过主控核心控制多路传感器进行并发采集，利用串口通信装置将数据从主控核心传输至计算机端处理；
12.主控单元主要是计算机，负责处理采集到的红外数据和温湿度数据，并根据处理后的数据预测待测雷场的地雷信息；
13.温湿度控制单元包括红外加热装置、制冷装置、加湿装置、大功率可调直流电源，所述温湿度控制单元中的红外加热装置和制冷装置负责控制土壤的温度条件，加湿装置负责控制土壤的湿度条件，由于红外加热装置功率较大，需要大功率可调直流电源对其提供电力支持。
14.一种基于计算机视觉的红外超时相地雷探测方法，包括以下步骤：
15.s1，对红外相机进行校准；
16.s2，在雷场附近埋设温湿度传感器并与计算机通过串口进行通信连接，调整电源功率，打开红外加热装置对土壤加热t时间；
17.s3，对雷场土壤表面进行固定采集间隔的红外数据采集，同时记录下温湿度，每进行n次采集就通过黑体对红外相机进行一次校准，其中n≥15, 所述校准方法同步骤s1，采集足够多的数据样本；
18.s4，构建神经网络，将采集的红外数据以及温湿度数据实时上传至计算机保存，将上述数据样本作为数据集放入神经网络进行训练得到模型及其参数；
19.s5，关闭红外加热装置，根据环境温度选择是否开启制冷装置，对土壤表面进行降温；
20.s6，重复s3
‑
s4步骤进行雷场红外数据的获取；
21.s7，通过地雷探测软件，读取采集的原始红外数据，输出带有地雷探测结果标记的彩色图。
22.进一步地，所述红外采集单元中的黑体用于校准红外相机，降低由于环境变化对相机成像造成的影响。
23.进一步地，所述红外相机的启动需要预热：打开红外相机时需要先按左下角的开关键，之后按最左侧的预置输出键，此时支架上方的红外相机会有制冷保护接通，会有嗡嗡声音传出，大约3
‑
7分钟后制冷保护声音变小电流示数降低至1.0v以下，随后打开最右侧的预置输出键，至此红外相机开启完毕。
24.进一步地，所述步骤s1中的校准方法为：通过将黑体的温度调节为两种温度，并以此两种温度为基准温度进行拍摄保存，供后续处理时用以校准图像数据，所述两种温度为低温10摄氏度，高温30摄氏度。
25.进一步地，所述步骤s2中的电源功率分为三档，使用双路电源供电，最高每路3000瓦，最低每路500瓦，中档为1500瓦每路。
26.进一步地，所述s3中的足够多的样本数要大于20个。
27.进一步地，所述步骤s7中的软件的工作流程为：
28.①
一次读取多张不同时刻的原始红外图像；
29.②
对这些红外图像进行拼接和归一化处理，叠加求平均形成灰度图像，转换为适合于计算机视觉算法处理的数据；
30.③
调用计算机视觉检测算法对地雷目标进行探测；
31.④
通过可视化图形界面，输出含有地雷种类和位置信息的彩色图片。
32.进一步地，所述采集温湿度中测土表温度时，温度传感器不能裸露在外，需用少量土壤覆盖住温度传感器。
33.本发明公开了以下技术效果：本发明通过研究目标和背景特性，建立样本库，进行基于深度神经网络的地雷探测算法的研究，能进一步避免非地雷目标造成的干扰，提高成像分辨率，适应复杂的雷场环境，从而在减少探雷工作的人力与物资消耗的同时，提高远距离、多目标的掩埋式地雷探测技术的工作效率和准确率。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为构建的地雷探测系统的流程图；
36.图2为地雷探测方法的流程图；
37.图3为地雷探测软件的工作流程。
具体实施方式
38.现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
39.应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
40.除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
41.在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
42.关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
43.本发明中所述的“份”如无特别说明，均按质量份计。
44.实施例1
45.1.1构建探测系统
46.针对地雷探测，本发明设计了一种基于计算机视觉的红外超时相地雷探测系统，其组成分为4个单元，分别为红外采集单元、温湿度采集单元、主控单元、温湿度控制单元。
47.其中，红外采集单元包括红外相机、采集卡、黑体及控制器、直流电源。所述红外采集单元由红外相机对疑似埋有地雷的土壤进行红外数据采集，通过采集卡将数据传输至计算机端处理，为了提高红外相机的精确度，每隔一段时间利用黑体对红外相机进行校准，直流电源负责为红外相机和黑体提供电力支持。
48.温度采集单元包括温湿度传感器、主控核心、串口通信装置。所述温湿度采集单元通过埋设在土壤中的多路温湿度传感器实时获取到雷场土壤的温湿度信息，通过主控核心控制多路传感器进行并发采集，利用串口通信装置将数据从主控核心传输至计算机端处理；
49.主控单元包括计算机。所述主控单元主要是计算机，负责处理采集到的红外数据和温湿度数据，并根据处理后的数据预测待测雷场的地雷信息。
50.温湿度控制单元包括红外加热装置、制冷装置、加湿装置、大功率可调直流电源。所述温湿度控制单元中的红外加热装置和制冷装置负责控制土壤的温度条件，加湿装置负责控制土壤的湿度条件，由于红外加热装置功率较大，需要大功率可调直流电源对其提供电力支持。
51.1.2探测步骤
52.与本系统对应的基于计算机视觉的红外超时相地雷探测方法具体步骤包括如下：
53.①
对红外相机进行校准。通过将黑体的温度调节较低和较高2种并以此为基准温度，其中所述低温为10摄氏度，所述高温为30摄氏度。分别对其进行拍摄并保存，供后续处理时用以校准图像数据；
54.②
在雷场附近埋设温湿度传感器并与计算机通过串口进行通信连接；
55.③
调整电源功率，所述电源功率根据实验设计分为3档，使用双路电源供电，最高每路3000瓦，最低每路500瓦，中档为每路1500瓦，打开红外加热装置；
56.④
以固定的采集间隔
△
t采集雷场的土壤表面的红外数据，所述采集间隔的时间为1min；
57.⑤
为保证红外相机采集数据的精确度，每进行15次数据采集就通过黑体对红外相机进行一次校准，校准方法同步骤
①
；
58.⑥
加热t时间，不同的实验条件加热的时间也不同，所述t时间从10 分钟到60分钟不等，加热完成后关闭加热装置；
59.⑦
重复步骤
④⑤
，每分钟采集一次数据，直至获取最低不少于20组的数据样本；
60.⑧
将上述样本作为数据集，放入深度神经网络进行训练得到模型及其参数；
61.⑨
重复步骤
①
～
⑦
获取待测雷场的红外数据；
62.⑩
调用软件通过模型来探测待测雷场的地雷信息。
63.1.3软件调用步骤
64.①
读取红外数据的路径信息。
65.通过按钮将红外数据的路径信息保存到系统中。
66.②
对原始红外数据进行预处理。
67.主要是通过校准算法，根据拍摄的校准数据，对红外数据进行校准。将校准后的数据进行处理得到供算法使用的数据格式。
68.③
判断是否输入单个红外数据。
69.如果不是则说明输入了多个红外数据，此时激活翻页显示功能并逐个读取红外数据调用算法进行地雷检测；若是则直接调用算法进行地雷检测。
70.④
可视化显示地雷位置和种类信息。
71.调用算法得到的结果为一张mask图，该图只具有地雷的位置和种类信息，并不适合人眼观察，为了使其能够直观的显示在电脑屏幕上，通过可视化操作，将地雷信息显示在彩色图中。
72.1.4试验前的准备
73.实验之前，需要从任务下发负责人处获取实验任务，明确实验条件是什么，包括是否需要更换土壤，是否需要重新埋设地雷和干扰物，埋设哪些温度器，传感器以及记录下相关信息，是否进行标记图的拍摄等。
74.每次换土时，需要提前联系工人，根据实验任务的需求，看土壤是否需要搅拌，加水，两种土壤分两半放置等，此时中间需要使用t型架进行隔离，使用t型架时应注意两边同时加土，防止t型架断裂。换土同时需要在相应深度埋设湿度传感器。
75.按照实验任务的要求进行埋设温度传感器，并且记录下温度传感器的编号，与其对应的地雷的深度和摆放位置。注意事项：测土表温度时，温度传感器不能裸露在外，需用少量土壤覆盖住温度传感器。
76.埋设湿度传感器时，按照规定的深度埋设对应的湿度传感器，例如0， 20，40cm处，并且记录对应湿度传感器的埋设深度及com口等。一般情况下，湿度传感器只在换土时埋设，通常不需要每次实验均进行湿度传感器的埋设。
77.首先，埋设之前将土壤压实，使之平整。
78.然后，将土壤挖出合适大小的坑，将西瓜或干扰物放入坑中，并用尺子测量土壤表面至西瓜或干扰物表面的高度，使其符合所要求的高度。
79.最后，拍完标记图后，将土壤重新压实，使之平整。
80.注意：在填土时，不要挪动西瓜和干扰物。
81.实验前，应当检查土壤表面情况，如发现有误碰导致土壤表面不平整，应将表面处理平整，并拍摄土壤表面状况彩色图片留存，并标记温度传感器位置。
82.1.5开始实验
83.首先打开各个插线板电源，之后打开定标机电源，两台加热灯电源，加热灯散热风扇电源，红外相机电源以及电脑主机电源。
84.其中，红外相机的启动需要预热：打开红外相机时需要先按左下角的开关键，之后按最左侧的预置输出键，此时支架上方的红外相机会有制冷保护接通，会有嗡嗡声音传出，大约3
‑
7分钟后制冷保护声音变小电流示数降低至1.0v以下，随后打开最右侧的预置输出键，至此红外相机开启完毕。
85.实验数据的测试前准备
86.1.先打开电脑主机，然后打开电脑该目录下的usart0.01.sln，，即可运行相机调
试精灵1.0，以进行串口的设置，按照四个步骤进行界面的配置：
87.1.选择串口号为com3；
88.2.点击open按键；
89.3.设置积分时间为100后，点击下方设置v_tint；
90.4.设置帧频后，点击v_frame按钮，之后再重复上述两次设置积分时间点击按钮和设置帧频点击按钮的过程，最后完成相机文件的设置。
91.注意：上述打开的代码及界面文件保持打开不要关闭。
92.首先，当黑体移到摄像头正下方后进行定标文件采集，再进行0.dat 文件的手动采集，最后将手机举至与箱子上方、土壤表面平行的位置，进行彩色图形的拍摄。
93.拍摄要求如下：需注明西瓜的深度(西瓜默认类型为步兵雷，若非步兵雷，则需标注出其类型)，注明干扰物的类型和深度。
94.要求西瓜和土壤的对比度大，能够清晰看见目标轮廓(可通过适当加热的方式使图片达到要求)。
95.首先进行定标，然后拍摄一幅红外数据图像并用手动数据校正软件处理软件处理，根据处理后所得图像是否有异常噪声，斑点或者其它异常，来确认红外相机是否正常工作。如果发现异常，则重启相机后重新拍摄确认，如果异常仍然存在，则及时汇报给负责人。
96.注意：
97.1.标记图拍摄结束后，不要移动实验箱的位置，否则需要重新拍摄标记图；
98.2.确认每次实验门窗是否紧闭关好。
99.1.6数据采集
100.1.6.1定标数据采集
101.(1)红外数据采集前：第一步操作为设置存盘文件路径为c10_0.dat，之后在定标控制器上，将温度栏设置为10度，如果温度栏为40度，则用触屏重按设置为10度后，等待定标机温度逐渐下降，到达指定温度定标机象会发出滴滴两声提示声，表示定标机达到10度，如本身定标机已为10 度则无需等待，直接开始后续测试，此时开始定标测数据。
102.(2)点击界面中的save键，会看到其变为黄色(之后save键不再点击，保持其为黄色)，点击界面上侧的开始键(三角形表示)，点击后界面开始工作，此时再点击界面上的运行键，定标数据则已经开始采集，此时左侧的存储帧数开始变大，直到存储帧数大约1000后即可再次点击运行键停止继续采集，再点击界面上侧开始键旁边的红色结束键，此时界面停止工作。此时定标文件c10_0.dat采集完成。此时更改存盘文件路径的文件名为c40_0.dat，为后续测试做准备，防止之后忘记将数据覆盖。此时重复第(1)步操作，即将定标机设为30度，等待定标机出现滴滴提示音后开始测试定标数据，重复第(2)步操作。此时完成测得了c10_0.dat和 c40_0.dat的定标数据。
103.(3)红外数据开始采集：此时开始采集红外数据，将存盘路径设置完成，存储时间间隔设置为60000(即1min记录一次)，开始数据自动采集，将黑体移出后重复试验第(2)步的操作，此时测得的数据位无光照情况下的土壤红外数据，数据采集到定标时间后，将自动采集关闭，之后将黑体重新移进拍摄范围，重复定标文件采集，定标文件采集完成后移除黑体，重新打开自动采集。
104.(4)每15/20min的测试后就进行一次定标操作，按(1)、(2)步骤完成c10
‑
x.dat和
c40_x.dat的测试，其中重复地(3)操作中断自动采集以此类推，进行测设和定标交替进行，采集相应的.dat数据，完成最后的测量。
105.1.6.2红外数据采集
106.进行红外数据自动采集前先将存盘路径设置完成，存盘路径与上步定标文件保存路径一致，随后在存储时间一栏设置好间隔，设置为60000(即1min记录一次)，点击自动采集按钮，开始数据自动采集，此时测得的数据位无光照情况下的土壤红外数据，数据采集到定标时间后，将自动采集关闭，之后将重复定标文件采集，定标文件采集完成后，重新打开自动采集。
107.数据自动采集过程中每15/20min的测试后就进行一次定标操作，按上部中定标文件采集步骤完成c10
‑
x.dat和c40_x.dat的采集，其中重复地中断自动采集以此类推，进行测设和定标交替进行，完成最后的测量。
108.1.6.3温度数据采集
109.温度数据在实验过程中持续采集，每分钟自动采集记录一次，温度数据自动采集操作应于实验开始前设置完成。
110.1.6.4湿度数据采集
111.湿度数据采用软件界面实时显示，手工记录的方式，记录频率为每分钟一次，湿度数据采集数据软件和相应的记录表格应与实验开始前打开准备。
112.1.7加热电压调节
113.实验过程中存在相应的加热与停止加热的过程，实验中加热电压的调节方案通常为加热电压设置为一定值后保持相应的时间，随后调小或者置零加热电压再保持一定得时间实现降温过程，具体的加热电压调节方案根据当天的实验任务安排为准操作。
114.1.8降温操作
115.实验中的降温过程中降温的具体方法有空调降温、自然冷却等方式，具体的降温方案需要根据当天的任务安排来操作。
116.1.9注意事项
117.(1)实验记录开始之前，如果发现加热灯损坏的情况应立即更换；如在实验过程中发生损坏的情况，则应立即在当天的实验记录表上标明实验灯泡损坏的位置、数量和发生损坏的时间。
118.(2)实验过程中应时刻注意是否有出现温度记录软件出现温度长时间不发生跳变的报错情况，如遇到此类温度记录软件的报错提醒，应及时保存温度记录数据后，重新启动温度自动采集软件再次开始记录。
119.(3)实验中出现的其它异常情况做相应记录。
120.(4)在实验过程中不要移动实验箱，否则需要重新标记。
121.实验后操作：
122.(1)确认下次实验是否需要重新埋设干扰物或排布地雷位置。若需要，则先参考1.4实验前的准备，再进行如下操作；否则，直接进行如下操作。
123.(2)电脑软件部分：
124.①
红外数据采集软件、自动温度采集装置软件、湿度监控软件、数据校正处理软件和相机调试精灵1.0等软件直接关闭。
125.②
若需要处理数据，参考步骤5.4。
126.(3)硬件仪器部分：
127.①
关闭黑体控制器电源(power)。
128.②
两台加热灯电源机箱先点击机箱靠下按键(待机/工作)关闭输出，再关闭电源闸刀。
129.③
红外摄像头电源先关闭右侧输出(预置/输出)，再关闭左侧输出(预置/输出)，最后关闭左下角电源。
130.④
安全退出项目专用移动硬盘，关闭温度自动采集传感器和电脑主机。
131.⑤
关闭所有插线板电源，关闭黑体控制器上方电源总闸开关，完成本次所有实验。
132.(4)确认下次实验是否需要打开空调降温。
133.以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。