導(dǎo)讀

TAPS 是德國 Fraunhofer 研究所為河道測量而設(shè)計(jì)的半自動(dòng)測向系統(tǒng)，通過搭載兩臺(tái)友思特uEyeFA工業(yè)相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)海岸區(qū)域進(jìn)行高效精準(zhǔn)的三維建模和航道地圖重建。

水路航道測繪的新選項(xiàng)

準(zhǔn)確的航道地圖是實(shí)現(xiàn)安全、高效航運(yùn)交通的先決條件。在德國，聯(lián)邦海事和水文局等機(jī)構(gòu)以及私人港口運(yùn)營商都有義務(wù)隨時(shí)提供最新版本的航道地圖。這樣做的主要原因是為了避免因路線不正確或過時(shí)而造成事故。它涉及聯(lián)邦水道的分類、里程、現(xiàn)有水閘、升降機(jī)和攔河壩、其他周邊水域、地點(diǎn)和邊界等信息。目前，測繪工作由經(jīng)過培訓(xùn)的人員在傳統(tǒng)船舶上進(jìn)行，這必然導(dǎo)致大量耗費(fèi)時(shí)間和金錢成本，還可能出現(xiàn)在某一特定位置的測量時(shí)間過長的情況，效率十分低下。

通過具有避障和交通探測功能的自主平臺(tái)對(duì)水道進(jìn)行半自動(dòng)監(jiān)測，可以優(yōu)化這一過程，并在更短的時(shí)間內(nèi)提供地圖。Fraunhofer光電、系統(tǒng)技術(shù)和圖像開發(fā)研究所（IOSB），利用一個(gè)為期3年的內(nèi)部研究項(xiàng)目，開發(fā)出了一種能夠自主勘測水體的自動(dòng)水面飛行器，并使用聲納進(jìn)行記錄。該設(shè)備通過友思特伙伴 IDS 生產(chǎn)的帶有兩臺(tái)集成工業(yè)相機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)堤岸區(qū)域及其表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控，并將所獲信息整合并傳輸?shù)街車h(huán)境的三維地圖中。

搭載IDS相機(jī)的半自動(dòng)測向系統(tǒng)

精確測量水體是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。TAPS 是Fraunhofer IOSB 為河流和湖泊設(shè)計(jì)的半自動(dòng)測向系統(tǒng)，能夠在水下和水上進(jìn)行測量。該設(shè)備尺寸約為 2×1.5×1m，可沿相關(guān)水道行駛，并自動(dòng)避開靜止或移動(dòng)的障礙物，能夠以 3.7km/h 的速度執(zhí)行連續(xù)20個(gè)小時(shí)的測繪任務(wù)。

為了繪制海岸區(qū)域的可視地圖，TAPS 在桅桿上安裝了兩臺(tái) uEye工業(yè)相機(jī)，分別面向右舷和左舷，保證視場不重疊。借由高分辨率工業(yè)相機(jī)，可以對(duì)碼頭巖壁等相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行視覺檢查，并根據(jù)記錄的圖像數(shù)據(jù)對(duì)海岸區(qū)域進(jìn)行三維建模。

表面結(jié)構(gòu)的 3D 模型

“我們使用自動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行智能圖像采集，當(dāng)相機(jī)對(duì)準(zhǔn)預(yù)設(shè)的感興趣區(qū)域時(shí)，圖像記錄就會(huì)開始”，F(xiàn)raunhofer IOSB 自主機(jī)器人系統(tǒng)研究小組的攝影測量學(xué)專家 Boitumelo Ruf 說：“車輛自身的運(yùn)動(dòng)只用于存儲(chǔ)從不同角度記錄的圖像數(shù)據(jù)，因此在內(nèi)容方面具有附加值。GNSS（全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，如 GPS）和 IMU（用于確定位置的慣性測量單元）數(shù)據(jù)是確定 TAPS 平臺(tái)位置和方向的基礎(chǔ)。在拍攝圖像時(shí)，會(huì)使用當(dāng)前的 GNSS 位置數(shù)據(jù)來豐富圖像，并使用 IMU 來分配精確坐標(biāo)。”

水上飛機(jī)可自動(dòng)環(huán)繞充氣船航行

數(shù)據(jù)采集完成后，所記錄圖像與 GNSS 數(shù)據(jù)一起傳送到地面控制站，在那里進(jìn)行攝影測量重建。Boitumelo Ruf 詳細(xì)介紹了這一程序：“除其他外，我們還使用 COLMAP 攝影測量工具箱。它利用出色的圖像特征，首先對(duì)輸入圖像進(jìn)行比較，計(jì)算出它們的相對(duì)位置，然后創(chuàng)建一個(gè)逼真的三維環(huán)境模型。然后，我們使用該工具逐個(gè)像素地匹配圖像，即搜索對(duì)應(yīng)的像素并準(zhǔn)確合并。其結(jié)果是使用 GNSS 位置進(jìn)行地理參照的密集三維點(diǎn)云，即提供相應(yīng)的當(dāng)前坐標(biāo)"。生成的三維模型隨后可用于如目視檢查或堤岸監(jiān)測等其他任務(wù)中。

堅(jiān)固耐用的工業(yè)相機(jī)可抵御風(fēng)雨

在相機(jī)方面，F(xiàn)raunhofer研究所使用了兩臺(tái) IDS uEyeFA工業(yè)相機(jī)。帶 PoE 的堅(jiān)固耐用型號(hào)是苛刻環(huán)境的理想選擇。相機(jī)外殼、鏡筒和螺紋接頭符合 IP65/67 防護(hù)等級(jí)的要求，因此具有最佳的防污、防塵和防水功能。

TAPS 在桅桿上安裝了兩臺(tái)來自 IDS 的?uEye?FA 工業(yè)相機(jī)，用于繪制海岸線區(qū)域的可視地圖

所使用的型號(hào)配備了索尼公司生產(chǎn)的 IMX304 大尺寸 1.1 英寸 CMOS 傳感器，可提供分辨率為 4096 × 3000 像素的非常清晰的無噪點(diǎn)圖像。Pregius 系列第二代像素的全局快門傳感器具有出色的動(dòng)態(tài)范圍和極高的靈敏度，特別適用于計(jì)量等應(yīng)用領(lǐng)域。

正是這些特點(diǎn)決定了 Fraunhofer 研究所對(duì)相機(jī)的選擇。除了堅(jiān)固耐用和不受天氣影響外，對(duì)相機(jī)的重要要求還包括外形小巧和圖像分辨率高，以便進(jìn)行詳細(xì)的目視檢查。傳感器還應(yīng)具有較高的動(dòng)態(tài)范圍，以便在晴天和陰天都能捕捉到細(xì)節(jié)豐富的圖像。通過標(biāo)準(zhǔn)的GigEVision 接口進(jìn)行集成，可為配備不同攝像頭的多個(gè)系統(tǒng)開發(fā)和使用一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。

所使用的相機(jī)能提供非常清晰、無噪音的圖像。該傳感器具有出色的動(dòng)態(tài)范圍和極高的靈敏度。正是這些特點(diǎn)決定了我們對(duì)攝像機(jī)的選擇?！狟oitumelo Ruf，F(xiàn)raunhofer IOSB 自主機(jī)器人系統(tǒng)研究小組攝影測量專家

TAPS 系統(tǒng)應(yīng)用前景

除了設(shè)備的硬件需求以外，缺乏熟練工人也是水道測量的一個(gè)主要問題。水道自動(dòng)測繪不僅可以降低成本，還可以減少測繪時(shí)間，以及人工測量帶來的誤差。

TAPS 項(xiàng)目的目的是為這項(xiàng)任務(wù)開發(fā)一個(gè)原型，并在相關(guān)場景中展示其潛力。作為一個(gè)研究機(jī)構(gòu)，F(xiàn)raunhofer通常會(huì)在系統(tǒng)的功能性和適用性已得到驗(yàn)證的水平上進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，而后進(jìn)入與工業(yè)伙伴開展合作的階段。Fraunhofer IOSB 自主機(jī)器人系統(tǒng)研究小組負(fù)責(zé)人 Janko Petereit 博士表示："我們正在積極尋找合作伙伴，共同邁出商業(yè)化的最后一步。鑒于我們初步測試的積極結(jié)果，以及對(duì)準(zhǔn)確、最新水道地圖日益增長的需求，預(yù)計(jì)未來幾年對(duì)該項(xiàng)目技術(shù)的需求將十分旺盛，并用于更廣泛的領(lǐng)域。自動(dòng)化水運(yùn)工具可用于海上或內(nèi)陸水道的人員和貨物運(yùn)輸，還可能用于挖掘水道和自主勘測?！?/p>

該項(xiàng)目展示了機(jī)器人系統(tǒng)與數(shù)字圖像處理之間互動(dòng)的巨大潛力，未來，在視覺環(huán)境捕捉和場景解讀方面，熱門技術(shù)和應(yīng)用可能會(huì)重新洗牌。

友思特IDS相機(jī)產(chǎn)品

uEyeFA

使用PoE的高防護(hù)等級(jí)工業(yè)相機(jī) (IP65/67)，堅(jiān)固耐用，防污、防塵、防濺水，內(nèi)置120MB圖像內(nèi)存，有多樣且同樣堅(jiān)固的周邊配件，是各行業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的最佳選擇。所用型號(hào)：GV-5200FA 。

客戶：Fraunhofer

Fraunhofer光電技術(shù)、系統(tǒng)技術(shù)和圖像開發(fā)研究所（IOSB）的目標(biāo)是通過其在三大核心能力方面的工作，為客戶做出明智決策、優(yōu)化流程和智能控制自主系統(tǒng)提供有效支持，這也是研究所名稱的由來。主要業(yè)務(wù)范圍為新型視覺系統(tǒng)的開發(fā)，包括激光光源、傳感器的最佳使用和聯(lián)網(wǎng)，以及由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流的處理。

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審核編輯 黃宇