ROV海底视像资料3D模型构建方法设计

摘 要：海底地形测量及可视化是地形数据解释的关键，海底视像调查是海底地形观测的重要技术手段。采用ROV（Remotely Operated Vehicles，遥控水下机器人）进行海底地形视像观测，是一种极高效率的可视化工具，通过ROV获取的大量视频和图像资料，有极大的数据挖掘潜力。文章介绍了ROV视像调查工作手段，评述了一种基于工业软件的数据处理流程，并详细阐述了利用ROV的视频和图像资料生成3D可视模型的处理方法，该方法将为海洋地质调查提供一种全新的可视化海底地形探测手段。

关键词：ROV；视像调查；数据处理

1 引言

海底地形是海洋地质学、海洋地球物理学、物理海洋学和海洋生物学等研究的基础资料。海底地形的复杂性是影响海洋要素分布的重要因素之一，也是海洋海流呈现多样化的重要原因，也影响到了海洋水团的来源和性质；另外，对海洋资源的数量及多样性也有重要影响；对海洋沉积物类型的空间分布及厚度影响更为直接[1-3]。因此，对海底地形的研究具有重要意义。

海底地形研究的关键部分是海底地形测量。目前有多种形式的海底地形测量方法，其中海底视像调查已经被广泛地应用于各种各样的海洋科学研究中[4]，从而成为重要的海底地形测量方法之一。海底视像调查是利用水下摄影设备对海底目标或局部地形进行的直接可视化的测量工作，目的是确定海底摄影目标的形状、大小、位置和性质，或局部地形的起伏状态。水下机器人（ROV（Remotely Operated Vehicle，以下简称ROV），是一种具有智能功能的水下遥控潜水器。ROV可以通过配置摄像头和多功能机械手，携带具有多种用途和功能的声学探测仪器以及专业工具进行各种复杂的水下作业任务。其中利用ROV录像探测海底信息并对海底目标物进行直接目视观测被认为是ROV的重要作业手段之一[6-8]。

传统上使用的ROV大多应用于可视观测、携带特定传感器作业以及回收实体样品等精细调查。当需要高精度定位取样时，样品采集经常依赖于水下定位系统提供的目标位置和摄像机实时传输的视像信息。由于ROV是定点作业，采集的视像信息范围有限，如果不对作业区提前进行全面的调查，研究人员则没有把握在科学或工程上最相关的区域进行观测或取样。并且由于所有的摄影设备都需要装在密封的耐压舱体中，视像观测技术的水下应用就出现了一些重要的问题。比较显著的是，在耐压舱体中，摄影设备采用的空气-玻璃-水界面是一个额外的光学因素，光学测量也会因为许多元件在压力下变形，以一种非线性的方式发生改变，从而导致拍摄的视像信息失真[9]。海底3D可视模型能很大程度上降低上述问题的困扰，如何利用ROV海底视频和图像生成3D可视模型，从而更精确反映海底信息，为海底地形探测等各项工作提供更有价值的信息，是一个重要而紧迫的问题。

本文将概述介绍并评述一种基于第三方软件的视像资料处理流程。旨在介绍一种ROV视像资料生成3D可视模型的处理技术方法和思路，为我国今后更好地利用ROV海底视像资料提供参考。从而激发对视像调查制图工作流程的开发，并完成了从ROV海底现场工作录像中生成3D可视模型的技术开发和研究。

2 系统设计

开发利用深部海洋资源时需要勘探海底地形，特别是海底可视化3D地形更为直观化，因而海底视像调查是一种行之有效的方法。在前期调查获取的等深线图和海底取样样品信息等已有的调查基础上，使用ROV开展作业，对需要开展构造的目标进行详细调查， 获得详细的调查资料后，利用ROV视像资料并基于第三方软件进行3D可视模型构建，能够导出基本的野外地质信息，例如定量的地层学和大地构造等信息。该工作流程可以获得海底标志物（如海底露头）的三维模型，能在地理参照坐标系内定量测量节理方向、地层构造、粒径大小和像片镶嵌等。获得的资料使得对海底火山及海底构造的解译从手标本尺度发展到出露露头尺度。整个操作流程具有稳定、可重复及响应迅速且易于使用的特征，可以在海上对新数据进行及时评估。

利用海底视像数据重建模型的质量主要取决于摄影机拍摄的原始视像资料的清晰度，差的图像质量极易导致错误的图像匹配。为获取海底视像资料和ROV运动轨迹，ROV上需要安装多功能摄像头、各种传感器，特别是在ROV前端配置有2个高质量的摄像系统。为调整立体装置的光学偏差，摄影设备的耐压舱体都装有平坦的玻璃舱门。在视像调查时尽量避免使用可变焦距器件，且只有在焦距被准确的录入日志后才可以调节。此外，重建软件必须能够把这些数据合并到模型生成的过程中，否则变焦摄影会被解译为接近目标的运动，致使无法测量轨迹。摄影机放置应当与目标成正交，如果角度大于45°会导致构建失败或错误。在深海里进行视像拍摄时，应让目标物在一个连续的网格上移动，避免快速移动。另外，为降低失真，测量仪器运行轨迹应当经常彼此交叉，或者与重要观测部位平行。此外，摄像系统应该尽可能的简单，可利用焦深镜头或者相对小孔径的定焦距进行拍摄作业。

ROV的水下运动轨迹的定位系统包含以下部分：多普勒计程仪（DVL），用来记录亚厘米分辨率的三维差异运动轨迹；超短基线定位系统（USBL），与母船底部的USBL天线配合进行ROV的精确定位；罗盘提供ROV的艏向信息；温盐深测量仪（CTD）采集海水的温度、盐度、深度等实时数据；姿态传感器反映设备的姿态数据（如航向、横摇倾角、纵倾倾角等）。

视像资料处理和模型重建是一个非常密集的计算过程，需要使用多套第三方视像资料处理软件在高配置工作站上处理数据，本文下一部分将对整个过程进行详细叙述。

3 3D模型构建

3.1 数据及预处理

ROV海底视像资料及其运动轨迹数据通过ROV水下作业获得以后，需要分别进行预处理，否则会影响到3D模型构建的效果，这一步至关重要，然后才能进行3D模型构建。

ROV的运动轨迹是重建模型质量评估的唯一参照系数据，通过ROV配置的多普勒计程仪（DVL）和超短基线定位系（USBL）来获得相关数据，并对ROV的航行轨迹进行定位处理得到模拟曲线[9]。通过对这两组传感器数据进行拟合和插值运算得到相应的轨迹图，通过相互对比可以得到混合的运载器路径。特别指出的是，USBL和DVL航行数据必须经过精细地修正，使用半自动的数字图象处理路线，生成混合的运载器路径，在考虑到各自的情况下稳定两个数据源：两个信号的x和y元件都被系统固有的离群值过滤，之后DVL的短波部分被复制到USBL的长波部分。此外，由于漂移效应以及使用CTD合并记录和压力传感器的失效通道，DVL信号垂直部分需要修正。

为利用ROV的海底视像资料进行3D模型重建，研究人员开发了一套全新的数据预处理工作流程，见图1所示。

3.2 视像重建

为进行视频和图像的模型重建，采用了第三方软件Agisoft的航空摄影测量软件（Photoscan Professional）进行辅助建模。该软件提供了一套完整的工作流程，包括完整的核心重建、输入图像预处理和已完成的模型编辑等。重建模型需要用到ROV海底作业时的摄像机状态（例如位置和方向）。这个软件首先尝试通过一个合适的精确的七个参数转换进行地理参照。在第二步中，重建的几何体和摄像机状态受到ROV运动轨迹非线性最优化过程的影响，对于所有的状态，模型会计算偏差的程度和均方根误差值。随后，将图像从摄像机状态重投影，通过模型表面之后，图像结构可以作为正射影像拼接输出。重叠区域由纹理混合规则来处理，可通过从投影到给定表面坐标的一系列重叠像素中选取最亮的可用像素来获得最好的结果。对强烈变化的物体距离，可以通过形成平均重叠的像素来得到更满意的视觉结果。该重建模型可以输出到各种方程和地理参考系中。高分辨率的模型包括变形模型和用于进一步解释的摄影机位置在Autodesk 3ds方程中输出。

值得注意的是，为了从二维图像中重建三维图像信息，处理算法需要获得摄像参数（相对目标的摄影机位置尤为重要）和固有的摄影机参数（镜头到传感器的光途径的描述）。只有在具有固有参数和一些最基本的外部信息，如摄影机位置和方向等精确信息的情况下，才能得到真正精确的重建。

3.3 模型解释

为测量平面结构如断层、节理或地层层面等信息，可在该模型中运用二维的Autodesk“剖面对象”。调整“剖面对象”的方位使模型化的海底交叉点与地质结构相匹配。模型上的面消减的越多，测量就越准确。这个操作具有以下优势：首先可以在结构不明确边界（例如粗糙砾石的海岸）也能够精确的确定该结构的层位，其次它扩大了可进行层位测量的取样区，从而可以进行具有代表性的“均向和倾向”测量而不仅是单个点测量。可以在“主剖面图”上沿着露头模型，把定向“剖面对象”划分成几个部分，然后根据露头实际情况得到可以直接输入到矢量化软件的比例精确的地质剖面。

在数据处理技巧上，可以通过在模型中的碎屑岩周围创建合适的球体、椭圆及方形来测量结晶粒度，并沿着相应的参照坐标轴读取目标物的大小。结合多种单体测量技术，把目标物成批重命名并聚合在一起，然后将这些聚合体放在可见层中，从而实现了批量处理。

3.4 可视化

主要用3dsMax创建用于实时可视化软件的模型。为了从模型中获得定量的地质信息，采用以下基本路线：1）创造Autodesk 3ds Max 帮助对象；2）测量和整合数据以匹配待测量的地质特性；3）读取帮助对象的各个特性。这一系列操作之后就可以产生精确可视的信息。

对模型进行定量评估后，研究人员通过适当的数据可视化来加强质量分析。特别是ROV可视数据通常在地质非相关的临时维度（时间标记而不是地理参照）对用户可用，意味着它所包含的信息很难过期获得。研究人员运用3D模型调取ROV可视数据集到相关的地理架构内，从而使人们可以通过位置来获得录像信息。

其他的可视化平台也可以应用于可视化工程，例如ArcGIS能显示深度图、ROV轨迹、重建露头的整合图像、样品位置和最终地质图层；Fledermaus能够结合海底测深数据在四维空间展示大部分的GIS地层；虚拟地球如Google Earth和Word Wide Telescope能识别海底结构分布，并直接从图像浏览中输出。

4 结束语

本文所论述的海底视像调查资料处理工作流程，经过验证，整个操作流程具有稳定、可重复及响应迅速且易于使用的特征，可以在海上对新数据进行及时评估，应用该操作流程可以把现场ROV视像资料变为可提供更多有用的地质学和定量的信息而不是视频帧了，这是一个全新的利用现场ROV视像资料的思路。

通过3D可视模型构建，能够导出基本的野外地质信息，如定量的地层学和大地构造等信息。该工作流程可以获得海底标志物（如海底露头）的三维模型，并能在地理参照坐标系内定量测量节理方向、地层构造、粒径大小和像片拼接等。

近年来国土资源部广州海洋地质调查局运用“海狮号”ROV对南海海域进行了多次海底勘探，获得了一些海底现场的ROV录像资料。目前这些资料的利用主要局限在直接的目视观测和粗略的资源评价，没有上升到视频模型建立和精细解析的程度，难以精确地分析调查区的资源量及地形地貌特征。针对这些资料利用上的不足，可将ROV海底视像资料3D模型构建方法充分运用到海上野外生产，更大程度的发挥ROV采集的视像资料价值，为目标区资源含量、地形地貌特征和底质层位信息评价提供更为丰富的基础数据。

参考文献

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