水下自适应跟踪摄像系统及其目标追踪方法

1.本发明属于水下摄像技术领域，具体涉及一种水下自适应跟踪摄像系统及其目标追踪方法。


背景技术：

2.海洋中存在着丰富多彩的动植物，记录他们的影像对于日常观赏和科学研究均有十分重要的意义。传统的水下摄像方式包括潜水员手动拍摄和机器设备自动拍摄等方式。潜水员拍摄对于摄影师水平和摄像设备均有较高的要求，且拍摄时间有限。而采用rov、auv、拖体等水下设备拍摄只能得到固定视角的影像，无法追踪目标进行拍摄。


技术实现要素：

3.针对目前存在的技术问题，本发明提供了一种能够大大提升水下拍摄的效率和影像质量，能够自动识别拍摄目标，并灵活调整自身的位置和姿态，对水下目标进行跟踪拍摄的水下自适应跟踪摄像系统及其目标追踪方法。
4.本发明采用的技术方案是：水下自适应跟踪摄像系统，其特征在于：包括第一有机玻璃防水舱体，所述第一有机玻璃防水舱体的前端安装有导流罩，所述导流罩内安装有用于追踪目标的前视摄像头，所述第一有机玻璃防水舱体内安装有分别朝向上下左右四个方向的用于搜索目标并在目标移出前视摄像头视域时找到目标的四个摄像头，所述第一有机玻璃防水舱体内安装有多个视觉处理电路、运动控制电路，所述第一有机玻璃防水舱体的后端安装有第一偏航推进器、第一俯仰推进器和尾部推进器；所述视觉处理电路分别与相应的摄像头电性连接并通过接收到的视频通过机器视觉算法找到目标物体，并将物体在成像平面的位置信息发送给运动控制电路；所述运动控制电路与视觉处理电路连接并根据视觉信息协调各推进器的转速和转向进行目标物体的跟踪；所述第一偏航推进器、第一俯仰推进器和尾部推进器均与控制其动作的运动控制电路电性连接。本发明通过多摄像头分布实现目标的拍摄后控制多自由度转向来实现目标的自动追踪，能够大大提升水下拍摄的效率和影像质量，能够自动识别拍摄目标，并灵活调整自身的位置和姿态，对水下目标进行跟踪拍摄。
5.进一步，所述第一有机玻璃防水舱体的后端还连接有第二有机玻璃防水舱体，所述第二有机玻璃防水舱体内安装有用于续航和配重的电池组，所述电池组分别与视觉处理电路、运动控制电路、第一偏航推进器、第一俯仰推进器、尾部推进器以及各摄像头电性连接。
6.进一步，所述第二有机玻璃防水舱体的后端安装有第二偏航推进器、第二俯仰推进器，所述第二偏航推进器与第一偏航推进器、第二俯仰推进器与第一俯仰推进器的转向相反设置，所述第二偏航推进器、第二俯仰推进器均与运动控制电路、电池组电性连接。
7.进一步，所述第一偏航推进器、第一俯仰推进器通过第一推进器安装支架安装于
第二有机玻璃防水舱体和第一有机玻璃防水舱体之间。
8.进一步，所述尾部推进器通过第二推进器安装支架安装于第二有机玻璃防水舱体的后端并位于所述第二偏航推进器、第二俯仰推进器的后方。
9.进一步，所述第一有机玻璃防水舱体内还安装有用于存储视频的储存设备，所述储存设备分别与视觉处理电路、运动控制电路电性连接。
10.进一步，所述运动控制电路上还集成有用于实时反馈设备姿态的姿态传感器和用于在水面进行数据收发的通信电路。
11.上述水下自适应跟踪摄像系统的目标追踪方法，其具体步骤如下：s1，四个方向中的某个摄像头发现目标后，通过视觉处理电路发送信息给运动控制电路，所述运动控制电路控制相应的推进器进行相应动作调整设备前进方向；s2，当前方摄像头发现目标，视觉处理电路识别目标在图像平面的坐标、所占面积，并发送给运动控制电路；s3，运动控制电路根据目标坐标信息对偏航和俯仰推进器进行控制，使前视摄像头正对目标；式中，是偏航推进器的目标转速差，是俯仰推进器的目标转速差；kp,ki,kd是控制参数，是目标中心到成像平面中心的x坐标差，是目标中心到成像平面中心的y坐标差；s4，运动控制电路根据目标的面积大小控制尾部推进器的转速，使目标面积维持在指定范围，从而保持跟踪目标的距离；式中，v是尾部推进器的目标转速，kp,ki,kd是控制参数，是机器视觉识别的目标面积跟设定目标面积之差，设定目标面积根据追踪目标类型和追踪要求，在任务开始前由操作人员设定。
12.进一步，s1的具体步骤包括：s11，若上方摄像头发现目标，运动控制电路控制设备进行上仰运动；s12，若下方摄像头发现目标，运动控制电路控制设备进行下俯运动；s13，若左侧摄像头发现目标，运动控制电路控制设备进行左偏运动；s14，若右侧摄像头发现目标，运动控制电路控制设备进行右偏运动。
13.进一步，s1之前还包括s0，对目标进行深度学习，使得视觉处理电路能够识别该目标。
14.本发明的有益效果：能够自动识别拍摄目标，并灵活调整自身的位置和姿态，对水下目标进行跟踪拍摄。既能拍摄特定的水下目标，也能根据深度学习系统随机选择水下目
标进行跟踪。能够大大提升水下拍摄的效率和影像质量。
附图说明
15.图1是本发明的立体结构示意图。
16.图2是本发明的去除有机玻璃防水舱体和导流罩后的结构主视示意图。
17.图3是本发明的去除有机玻璃防水舱体和导流罩后的结构后视示意图。。
18.图4是本发明的目标追踪的流程示意图。
具体实施方式
19.下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
20.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
21.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
23.实施例一参见图1-3，本实施例提供了一种水下自适应跟踪摄像系统，包括第一有机玻璃防水舱体1，所述第一有机玻璃防水舱体1的前端安装有有机玻璃制成的导流罩2，所述导流罩2内安装有用于追踪目标的前视摄像头10，所述第一有机玻璃防水舱体1内安装有分别朝向上下左右四个方向的用于搜索目标并在目标移出前视摄像头10视域时找到目标的四个摄像头，包括上方摄像头12、下方摄像头17以及两个侧摄像头16；所述第一有机玻璃防水舱体内安装有多个视觉处理电路11、运动控制电路13、用于存储视频的储存设备14，所述第一有机玻璃防水舱体1的后端安装有第一偏航推进器4、第一俯仰推进器5和尾部推进器9；
所述视觉处理电路11分别与相应的摄像头电性连接并通过接收到的视频通过机器视觉算法找到目标物体，并将物体在成像平面的位置信息发送给运动控制电路13；所述运动控制电路13与视觉处理电路11连接并根据视觉信息协调各推进器的转速和转向进行目标物体的跟踪；所述第一偏航推进器4、第一俯仰推进器4和尾部推进器8均与控制其动作的运动控制电路13电性连接。所述储存设备14分别与视觉处理电路11、运动控制电路13电性连接。本发明通过多摄像头分布实现目标的拍摄后控制多自由度转向来实现目标的自动追踪，能够大大提升水下拍摄的效率和影像质量，能够自动识别拍摄目标，并灵活调整自身的位置和姿态，对水下目标进行跟踪拍摄。
24.本实施例所述第一有机玻璃防水舱体1的后端还连接有第二有机玻璃防水舱体6，所述第二有机玻璃防水舱体6内安装有用于续航和配重的电池组15，电池组15以提升该装置的续航能力，并进行配重，配重完成后，该装置在水中呈轻微的正浮力状态。所述电池组15分别与视觉处理电路11、运动控制电路13、第一偏航推进器4、第一俯仰推进器5、尾部推进器9以及各摄像头电性连接。所述第二有机玻璃防水舱体6的后端安装有第二偏航推进器7、第二俯仰推进器8，所述第二偏航推进器7与第一偏航推进器4、第二俯仰推进器8与第一俯仰推进器5的转向相反设置，从而实现设备的快速转向。所述第二偏航推进器7、第二俯仰推进器8均与运动控制电路13、电池组15电性连接。
25.本实施例所述第一偏航推进器4、第一俯仰推进器5通过第一推进器安装支架3安装于第二有机玻璃防水舱体6和第一有机玻璃防水舱体1之间。所述尾部推进器9通过第二推进器安装支架18安装于第二有机玻璃防水舱体6的后端并位于所述第二偏航推进器7、第二俯仰推进器8的后方。
26.本实施例所述运动控制电路13上还集成有用于实时反馈设备姿态的姿态传感器和用于在水面进行数据收发的通信电路。
27.本发明能够自动识别拍摄目标，并灵活调整自身的位置和姿态，对水下目标进行跟踪拍摄。既能拍摄特定的水下目标，也能根据深度学习系统随机选择水下目标进行跟踪。能够大大提升水下拍摄的效率和影像质量。
28.实施例二参见图4，实施例一所述水下自适应跟踪摄像系统的目标追踪方法，其具体步骤如下：s1，四个方向中的某个摄像头发现目标后，通过视觉处理电路11发送信息给运动控制电路13，所述运动控制电路13控制相应的推进器进行相应动作调整设备前进方向；具体包括：s11，若上方摄像头12发现目标，运动控制电路控制设备进行上仰运动；s12，若下方摄像头17发现目标，运动控制电路控制设备进行下俯运动；s13，若左侧摄像头发现目标，运动控制电路控制设备进行左偏运动；s14，若右侧摄像头发现目标，运动控制电路控制设备进行右偏运动。
29.s2，当前方摄像头10发现目标，视觉处理电路11识别目标在图像平面的坐标、所占面积，并发送给运动控制电路13；s3，运动控制电路13根据目标坐标信息对偏航和俯仰推进器进行控制，使前视摄像头10正对目标；
式中，是偏航推进器的目标转速差，是俯仰推进器的目标转速差；kp,ki,kd是控制参数，是目标中心到成像平面中心的x坐标差，是目标中心到成像平面中心的y坐标差；s4，运动控制电路13根据目标的面积大小控制尾部推进器9的转速，使目标面积维持在指定范围，从而保持跟踪目标的距离；式中，v是尾部推进器的目标转速，kp,ki,kd是控制参数，是机器视觉识别的目标面积跟设定目标面积之差，设定目标面积根据追踪目标类型和追踪要求，在任务开始前由操作人员设定。
30.本实施例在s1之前还包括s0，对目标进行深度学习，使得视觉处理电路能够识别该目标。
31.本发明根据不同的追踪需求，也可以在目标的侧面采用上下左右摄像头中的某个摄像头对目标进行追踪，此时，运动控制电路13主要根据追踪方向的摄像头进行反馈控制，使设备保持在目标侧面。
32.本发明具体应用例如下：1、追踪蛙人进行拍摄，具体如下：首先通过利用深度学习方法记录蛙人的特征，使视觉处理电路能够识别该目标。
33.其次，将该设备放置于水下，启动前视摄像头10追踪。该设备将根据摄像头识别的影像追踪在蛙人身后，并储存影像。追踪指定时间或者收到结束追踪信号后，设备上浮到水面，通过无线通信导出影像。
34.2、水下生物随机追踪，具体如下：在设备上输入水下生物数据库，通过深度学习识别各类水下生物。设备入水后，通过机器视觉识别水下生物，根据生物重要性排序，对视线范围内较为重要的生物进行追踪拍摄。追踪指定时间或者收到结束追踪信号后，设备上浮到水面，通过无线通信导出影像。