1.本技术涉及图像采集技术领域，尤其涉及一种隧洞顶部图像采集装置及水下设备。
背景技术：2.输水隧洞作为重要的基础设施，需要定期对其状态进行检测。通过水下机器人搭载光学相机对隧洞内壁进行图像采集是一种常用的检测手段。
3.对于无压输水隧洞来讲，水流不充满隧洞截面，水面与隧洞顶部之间存在一定空间。采用相机拍摄隧洞顶部时，受到水面位置影响，若将相机置于水面之上，则可能存在因距离过近导致视野狭小的问题，从而难以将隧洞顶部拍摄完整。若将相机置于水面以下，虽然能够获得较大的视野，但是会受到水面波浪的干扰，波浪形成的反射和折射效应会导致图像中出现畸变、光斑和阴影；而且波浪产生的复杂反射和折射效应也对照明效果造成影响，导致图像质量进一步下降。
技术实现要素：4.为了使相机采集隧洞顶部图像时，既具有足够的视野，又能够排除水面波浪干扰，保证成像质量，本技术提供了一种隧洞顶部图像采集装置及水下设备。
5.第一方面，本技术提供一种隧洞顶部图像采集装置，采用如下的技术方案：
6.一种隧洞顶部图像采集装置，安装于水下设备上，包括：
7.基座；
8.机箱，转动设置于所述基座上，所述机箱的顶端设置有透光板；
9.相机，设置于所述机箱内，且位于所述机箱的底部；
10.光源，设置于所述机箱外侧表面的上部；
11.伸缩装置，所述伸缩装置的一端与所述机箱一侧表面的上部铰接，用于驱动所述机箱转动。
12.可选的，所述机箱的截面为矩形。
13.可选的，所述伸缩装置采用电缸、气缸或液压缸中的任意一种。
14.可选的，所述相机位于机箱底部的中心。
15.可选的，所述图像采集装置应用于无压输水隧洞。
16.第二方面，本技术提供一种水下设备，采用如下的技术方案：
17.一种水下设备，包括：
18.设备主体；
19.第一方面中任一所述的图像采集装置，设置于所述设备主体上。
20.可选的，所述设备主体的顶部开设有第一容置槽，所述第一容置槽的底面开设有第二容置槽；
21.所述基座设置于第一容置槽内，所述伸缩装置的一端铰接于所述第二容置槽的底
部。
22.第三方面，本技术提供一种图像采集方法，采用如下的技术方案：
23.一种图像采集方法，采用第一方面中任一所述的图像采集装置，包括：
24.控制水下设备驶向作业区；
25.调整水下设备与水面的距离，确定相机的最佳工作距离d，其中，最佳工作距离d为使相机视野刚好在隧洞横向上包含顶部区域时相机顶端到隧洞顶部的距离；
26.控制伸缩装置动作，将所述机箱顶起；
27.对图像进行采集；
28.控制伸缩装置动作，将所述机箱复位。
29.可选的，所述相机的最佳工作距离d＝w/(2*tan(θ/2))；
30.其中，w为隧洞顶部宽度，θ为相机的视场角。
31.可选的，所述对图像进行采集包括：
32.控制所述相机录制隧洞顶部视频；
33.读取所述相机采集的每一帧图像，裁剪图像中的遮挡区域；
34.将裁剪后的图像写入视频文件；
35.筛选清晰帧；
36.提取相邻清晰帧的特征点，并对特征点进行匹配；
37.根据特征点匹配结果计算相邻清晰帧的重合区域；
38.根据重合区域将相邻帧拼接，生成拼接图像。
39.本技术在使用时，须将基座和伸缩装置安装于水下设备上。初始状态下，伸缩装置的活塞杆处于缩回状态，机箱的侧表面与水下设备的顶部贴合，水下设备行驶至隧洞作业区后，首先调整水下设备与水面的距离，将相机与隧洞顶部的距离调整至最佳工作距离d，然后伸缩装置的活塞杆伸出，控制机箱转动，直到机箱处于竖直状态，此时机箱顶部的透光板位于水面之上，然后水下设备沿隧洞行驶，相机对隧洞顶部图像进行采集。采集完毕后，伸缩装置的活塞杆缩回，机箱复位。
40.通过伸缩装置控制机箱转动，将机箱顶部和光源抬升至水面之上，进而避免了水面波浪对相机成像造成的光学干扰问题，同时又能够保证相机具备足够的视野。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例描述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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图，而并不超出本技术要求保护的范围。
42.图1是本技术实施例给出的图像采集装置的一种整体结构示意图。
43.图2是图1的剖视图。
44.图3是在隧洞横截面内，机箱工作状态下的示意图。
45.图4是本技术实施例给出的水下设备的一种整体结构示意图。
46.图5是本技术实施例给出的图像采集方法的流程图。
47.图中，1、基座；2、机箱；21、透光板；3、相机；4、光源；5、伸缩装置；100、设备主体；
110、第一容置槽；120、第二容置槽。
具体实施方式
48.下面结合本技术实施例中的附图，对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
49.为了更清楚地理解本技术的技术方案，首先对本技术的应用场景进行简单介绍。本技术应用于无压输水隧洞，在这种情况下，水流不充满隧洞截面，采用相机拍摄隧洞顶部时，相机的视野范围与相机到顶部的距离成正比。为了便于描述，将相机到隧洞顶部的距离称为相机的工作距离。隧洞横截面的水平方向称为横向，在隧洞横向上，将相机视野的边缘与隧洞边缘重合时相机顶端到隧洞顶部的距离称为相机的最佳工作距离d。
50.而且需要说明的是，当隧洞为平顶隧洞时，上述所指的隧洞顶部区域为隧洞的顶部平面；当隧洞为拱形隧洞时，上述所指的隧洞顶部区域为隧洞顶部的整个曲面。
51.进行隧洞顶部图像采集的过程中，当水面到隧洞顶部的距离小于相机的最佳工作距离d时，如果相机镜头高于水面，那么相机视野无法覆盖隧洞顶部区域；如果相机镜头置于水面之下，虽然能够获得较大视野，但是会受到水面波浪干扰，影响图像质量。
52.参照图1和图2，为本技术实施例公开的一种隧洞顶部图像采集装置，安装于水下设备上，包括基座1、机箱2、相机3、光源4以及伸缩装置5。
53.其中，本技术中所述水下设备一般指水下机器人、遥控潜水器等能够实现水下自主巡航的设备。
54.机箱2转动设置于基座1上，机箱2为封闭的箱体结构。相机3设置于机箱2内部，且位于机箱的底部。机箱2的顶端，也就是远离基座1的端部，设置有透光板21，外界光线能够通过透光板21进入机箱2内部。
55.光源4固定设置于机箱2外侧表面的上部，用于对输水隧洞的内部进行照明。将光源4设置在机箱2侧表面的上部，能够最大限度的提高照明效果，同时也不会对相机的视野造成影响。
56.伸缩装置5的顶端与机箱2背离光源4的一侧表面的上部铰接，伸缩装置5的底部用于与水下设备铰接，伸缩装置5动作时，驱动机箱2绕基座1转动。
57.参照图3，本技术在使用时，须将基座1和伸缩装置5安装于水下设备上。初始状态下，伸缩装置5的活塞杆处于缩回状态，机箱2的侧表面与水下设备的顶部贴合，水下设备行驶至隧洞作业区后，首先调整水下设备与水面的距离，将相机3与隧洞顶部的距离调整至最佳工作距离d，然后伸缩装置5的活塞杆伸出，控制机箱2转动，直到机箱2处于竖直状态，此时机箱2顶部的透光板21位于水面之上，然后水下设备沿隧洞行驶，相机3对隧洞顶部图像进行采集。采集完毕后，伸缩装置5的活塞杆缩回，机箱2复位。
58.通过伸缩装置5控制机箱2转动，将机箱2顶部和光源4抬升至水面之上，进而避免了水面波浪对相机3成像造成的光学干扰问题，同时又能够保证相机3具备足够的视野。
59.可选的，本技术中伸缩装置5可以采用电缸、气缸、液压缸中的任意一种。
60.根据本技术实施例一种可选的技术方案，将相机3的顶端中心点与透光板21边缘
之间的连线所形成的夹角称为相机3的视场角θ。将机箱2的截面设置为矩形，同时，矩形的长宽比应足够大，呈扁平状，使得相机具备较大的视场角θ，能够覆盖隧洞的顶部。将机箱2的截面设置为矩形，采集的图像的有效区域为横条状，便于对采集的图像进行拼接处理；同时扁平状机箱2的设置也能够降低自重以及受到的阻力。
61.可选的，相机3在安装时，应将其设置于机箱2底面的中心位置，这样在图像采集过程中，控制水下设备行驶路径，使相机3位于隧洞宽度方向的中心，则相机3的两侧能够获得相同的视场，相机3位于最佳工作距离d时，视野刚好覆盖隧洞顶部。
62.参照图4，本技术还公开了一种水下设备，包括设备主体100以及上述任一实施例中所述的图像采集装置，图像采集装置安装在设备主体100的上部。
63.可选的，设备主体100的顶部开设有第一容置槽110，第一容置槽110的底面中心开设有第二容置槽120。基座1安装在第一容置槽110内部的一端，伸缩装置5远离机箱2的端部与第二容置槽120的底面铰接，伸缩装置5活塞杆缩回时，机箱2刚好位于第一容置槽110内。第一容置槽110和第二容置槽120的设置，一是为了安装图像采集装置，二是使图像采集装置在非工作状态下，机箱2能够合理收纳在第一容置槽110内。
64.参照图5，本技术还公开了一种图像采集方法，采用上述任一实施例中所述的图像采集装置，包括以下步骤：
65.s101：控制水下设备驶向隧洞作业区。
66.s102：调整水下设备与水面之间的距离，确定相机3的最佳工作距离d。最终水下设备的位置，以相机3在工作状态时镜头处于最佳工作距离d为宜。
67.s103：控制伸缩装置5动作，其活塞杆伸出将机箱2顶起。机箱2转动90
°
，此时相机3镜头朝向正上方。
68.s104：控制水下设备沿隧洞行驶，行驶过程中对隧洞顶部图像进行采集。
69.s105：图像采集完成后，伸缩装置5动作，其活塞杆缩回，将机箱2复位。
70.参照图3，步骤s102中，对于相机3的最佳工作距离d的计算方式如下：
71.d＝w/(2*tan(θ/2))
72.其中，w为隧洞顶部宽度，θ为相机3的视场角。
73.除此之外，机箱2内部空间高度和宽度的设计原则如下：
74.将机箱2内部空间高度记为h，相机高度记为h，水面到隧洞顶部的距离记为d，相机3处于最佳工作距离d时，机箱2顶部高于水面的距离记为c，则h＝h+d-d+c。
75.将机箱2内部空间所需宽度记为w，则w与h具有依赖关系：
76.w＝2(h-h)*tan(θ/2)。
77.可选的，步骤s104中，对图像进行采集包括以下步骤：
78.s1041：控制相机3录制隧洞顶部视频。
79.s1042：在隧洞的预设长度内，读取相机3采集的每一帧图像，裁剪掉图像中上下两端被遮挡的区域，保留图像的中间部分。
80.上述中的遮挡区域指的是在隧洞纵向上的两端部区域，由于机箱2侧壁的遮挡，形成的图像的上下两端会出现较为模糊的阴影区域，将遮挡区域裁剪后，剩下的为长条状清晰图像。
81.s1043：将裁剪后的图像写入视频文件。
82.s1044：从预设长度中的多帧图像中筛选清晰度最高的图像，作为清晰帧。
83.s1045：提取相邻清晰帧的特征点，并对特征点进行匹配。
84.其中，所述特征点可通过sift(尺度不变特征变换)等方法提取，对特征点进行匹配可选用已有的方法。
85.s1046：根据特征点匹配结果计算相邻清晰帧的重合区域。
86.s1047：根据重合区域将相邻帧拼接，生成整个隧洞顶部的连续图像。
87.以上对本技术实施例进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本技术的技术方案及其核心思想。因此，本领域技术人员依据本技术的思想，基于本技术的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本技术保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。
技术特征：1.一种隧洞顶部图像采集装置，安装于水下设备上，其特征在于，包括：基座；机箱，转动设置于所述基座上，所述机箱的顶端设置有透光板；相机，设置于所述机箱内，且位于所述机箱的底部；光源，设置于所述机箱外侧表面的上部；伸缩装置，所述伸缩装置的一端与所述机箱一侧表面的上部铰接，用于驱动所述机箱转动。2.根据权利要求1所述的一种隧洞顶部图像采集装置，其特征在于：所述机箱的截面为矩形。3.根据权利要求1所述的一种隧洞顶部图像采集装置，其特征在于：所述伸缩装置采用电缸、气缸或液压缸中的任意一种。4.根据权利要求1所述的一种隧洞顶部图像采集装置，其特征在于：所述相机位于机箱底部的中心。5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种隧洞顶部图像采集装置，其特征在于：所述图像采集装置应用于无压输水隧洞。6.一种水下设备，其特征在于，包括：设备主体；权利要求1-5中任一项所述的图像采集装置，设置于所述设备主体上。7.根据权利要求6所述的水下设备，其特征在于：所述设备主体的顶部开设有第一容置槽，所述第一容置槽的底面开设有第二容置槽；所述基座设置于第一容置槽内，所述伸缩装置的一端铰接于所述第二容置槽的底部。
技术总结本申请公开了一种隧洞顶部图像采集装置及水下设备，图像采集装置包括：基座；机箱，转动设置于所述基座上，所述机箱的顶端设置有透光板；相机，设置于所述机箱内，且位于所述机箱的底部；光源，设置于所述机箱外侧表面的上部；伸缩装置，所述伸缩装置的一端与所述机箱一侧表面的上部铰接，用于驱动所述机箱转动。本申请能够避免水面波浪对相机成像造成的光学干扰问题，同时又能够保证相机具备足够的视野。同时又能够保证相机具备足够的视野。同时又能够保证相机具备足够的视野。
技术研发人员：赵国腾 戴占强 傅又群 槐先锋 台德伟 杨勇 李少波 侯明波 张增虎 马玉斌 任子昂
受保护的技术使用者：深之蓝海洋科技股份有限公司
技术研发日：2021.09.30
技术公布日：2022/7/5
