CN101603828A - 基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置 - Google Patents

Abstract

一种基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，包括沉放于要探测洞穴内的洞穴探测器和安置在洞穴口边缘处的便携式微处理器，将洞穴内的地质地貌视频信息、温度和湿度信息、氧浓度信息通过无线传输的方式传送给便携式微处理器，洞穴探测器包括两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器和用于对两台全方位视觉传感器的图像进行图像压缩和传输的微处理器，形成双目立体全方位视觉传感器；便携式微处理器通过无线视频方式来获得洞穴内的含氧量、温湿度等环境数据，将洞穴的地质地貌环境和生物生存环境的检测集成在一起。本发明能将洞穴内的周围全景形态图像、氧浓度和温湿度等环境信息都通过视频的方式传送给洞口的观测人员、可靠性好。

Description

基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置

技术领域

本发明属于光学技术、计算机视觉技术、无线通信技术以及嵌入式***在洞穴探测方面的应用。

背景技术

根据国际洞穴学协会的定义，洞穴是指人能进出的天然地下空间。按照洞穴的围岩可以分为碳酸盐岩洞、石膏洞、砾岩洞、玄武岩洞、砂岩洞、冰川洞等，但在地球上分布最广、数量最多、规模最大的是由岩溶作用形成的洞穴。

洞穴探险是指探洞者对洞穴的发现、探知、游历、考察等运动或科学研究活动。洞穴探险不仅是一项极富挑战性和刺激性的体育运动，同时也是一项科学活动。它要求参加人员不仅有充沛的体力、灵敏的反应，还应掌握必要的探洞技术和洞穴知识。由于洞穴环境的危险性、未知性及探洞人员知识、经验的缺乏或疏忽往往导致探险事故的发生。像其它探险活动一样，洞穴探险是一项极富挑战性和刺激性的活动。同时又是一项危险的活动，特别是在未开发洞穴中的探险活动更是对身心的极大挑战，任何的麻痹和疏忽都可能带来危险。

关于洞穴探险，对探险者来说存在着许多风险，这些风险主要来自地理形态环境、低温高湿环境以及呼吸环境。由于岩溶洞穴形态极不规则，底部崎岖不平和许多洞穴及其周围因岩石裂隙、沟壑、竖井、落水洞、石笋、岩锥发育，造成部分洞段非常狭小；此外，还由于未开发洞穴没有安全的路径和警示标识。加之探洞者对地形不熟悉和黑暗的环境，容易使人员摔落造成伤害；洞穴中的溶蚀微地形，如岩锥″岩针″岩钟乳以及化学沉积，如石钟乳″石笋″边石往往具有尖锐的末端和边缘，可以造成探洞者外部损伤。洞穴环境是一个低温高湿的封闭环境，在某些洞穴中会有缺氧情况发生，洞穴内的CO₂含量高于外部大气，实验发现当洞里的CO₂的浓度达到7.5％，氧浓度下降到15％时，人们就感到头痛、恶心和呕吐。由于洞穴空间被围岩所圈闭，是一个相对独立的环境***。一般来说，洞口带的气温受外部环境影响较大，其日变化与年变化与当地地表气温变化相近；而越往洞内，则气温波动越小直至不受外界影响，基本稳定在当地多年平均气温左右。一般的洞穴气温低于人体体温15~20°，如果洞穴探险活动时间较长，没有保温措施，必然引起体温过低而导致伤害。特别是在精疲力竭、衣物潮湿的情况下，会较快产生体温下降的生理反应。当体温降到摄氏3~5度以下时，人体即已进入失温状态，感觉寒冷、皮肤苍白、四肢冰冷、颤抖、言语含糊不清、脉搏变慢、失去意识等。患者进入失温状况后，可能在数小之内死亡。

良好的探险装备是保证探险安全的基本条件，良好的洞穴探测设备是进行洞穴环境研究的有力支撑，目前大量的洞穴还处于未开发状态就更需要加强洞穴研究的力度。良好的洞穴探测设备必须能自动地获取洞穴内的周围全景形态图像、CO₂的浓度和温度等信息，并能自动地发送给在洞口的人员，以便探洞者能在探洞前就比较全面的把握洞穴的情况，达到降低洞穴的探险风险目的。

近年发展起来的全方位视觉传感器ODVS(Omni-Directional VisionSensors)为实时获取场景的全景图像提供了一种新的解决方案。ODVS的特点是视野广(360度)，能把一个半球视野中的信息压缩成一幅图像，一幅图像的信息量更大；获取一个场景图像时，ODVS在场景中的安放位置更加自由；监视环境时ODVS不用瞄准目标；检测和跟踪监视范围内的运动物体时算法更加简单；可以获得场景的实时图像。同时也为构建双目立体全方位视觉传感器提供了一个基本要素。

中国发明专利申请号为200810062128.5公开了一种基于双目全方位视觉传感器的立体视觉测量装置，该专利中将组成双目立体全方位视觉传感装置的每个ODVS采用了平均角分辨率设计，采集图像的两个摄像机的参数完全一致，具有极好的对称性，能实现快速的点与点的匹配；从以人为视觉空间的中心的角度出发，在空间物体的数据采集、加工、描述、表达过程中始终采用一种统一的球面坐标，采用距离感、方向感和色感这些要素来表示各特征点的特性，从而达到简化计算的复杂性、省略摄像机标定工作、方便进行特征提取、容易实现立体图像匹配，最终实现高效、实时、准确的立体视觉测量目的。

人类在对洞穴进行探险时，常用的探测洞内的CO₂的浓度或者氧浓度的方式是通过点上火把或者是点上蜡烛，从火的燃烧情况来判断洞内的CO₂的浓度或者氧浓度，同时也利用了火光的照明功能。

如何将洞穴内的周围全景形态图像、CO₂的浓度和温度都通过视频的方式传送给洞口的观测人员，帮助探险者把握洞穴内的各种环境，降低洞穴环境内未知性，有效帮助探险者在探险过程中规避洞穴环境的危险点，从而将探险风险降低到最低限度。

发明内容

为了克服现有的洞穴探测设备的检测方式单一、可靠性差的不足，本发明为洞穴研究、探险和开发等目的提供一种能将洞穴内的周围全景形态图像、氧浓度和温湿度等环境信息都通过视频的方式传送给洞口的观测人员、可靠性好的基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，包括沉放于要探测洞穴内的洞穴探测器和安置在洞穴口边缘处的便携式微处理器；所述的洞穴探测器由两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器和用于对两台全方位视觉传感器的图像进行图像压缩和传输的嵌入式微处理器所构成，所述两台全方位视觉传感器以面对面的方式连接形成双目立体全方位视觉传感器；所述的洞穴探测器将洞穴内的地质地貌视频信息、温度和湿度信息、氧浓度信息通过无线传输的方式传送给所述的便携式微处理器；所述的洞穴探测器的沉放深度信息是通过沉放线缆测量并传送给所述的便携式微处理器；

所述的全方位视觉传感器包括双曲面镜面、上盖、透明钢化玻璃外罩、下固定座、摄像单元固定座、摄像单元、连接单元、上罩、用于对两台全方位视觉传感器的图像进行图像压缩和传输的图像处理与发送单元和用以对图像处理与发送单元供电的供电单元；所述的双曲面镜面固定在所述的上盖上，所述的连接单元将所述的下固定座和透明钢化玻璃外罩连接成一体，所述的透明钢化玻璃外罩与所述的上盖以及所述的上罩固定连接，所述的摄像单元固定在所述的摄像单元固定座上，所述的摄像单元固定座固定在所述的下固定座上，所述的摄像单元的输出与所述的图像处理与发送单元连接，所述的供电单元与所述的图像处理与发送单元连接；

两个燃烧罐固定在第一圆形平板上，所述第一圆形平板固定在上方的全方位视觉传感器的下固定座上；温度传感器和湿度传感器固定在第二圆形平板上，所述第二圆形平板固定在下方的全方位视觉传感器的下固定座上；第一圆形平板和第二圆形平板固定连接；两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器在同一轴心线上，连接后两台全方位视觉传感器具有共同的视觉范围；

所述的全方位视觉传感器的双曲面镜面的中部固定有一个用于确定洞穴周围全景形态的方位的指南针；

所述的便携式微处理器包括：

无线视频图像读取单元，用于读取两个相同成像参数的全方位视觉传感器的视频图像，同时对两幅视频图像用H.264压缩标准进行解压缩，并将解压缩后的结果保存在指定的存储设备中，其输出与视频图像展开单元连接；

视频图像展开单元，用于对全方位视觉传感器的原始视频图像进行图像预处理，图像预处理中首先按方位角为0°处，即指南针所指的方向开始对全方位图像进行展开，展开后的结果保存在指定的存储单元中，其输出与物点匹配单元连接；

物点匹配单元，用于找出同一时刻两个不同视点的图像中同一物点对应的两个像点，其输出与空间信息计算单元连接；

空间信息计算单元，用于计算空间上的物点到立体视觉测量装置中心点的距离、方位角以及入射角，其输出与三维图像重构单元连接；

三维图像重构单元，用于重构出以洞穴探测器为视觉空间的中心的三维立体图像，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有这些等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，进而重建出洞穴内某一深度时的三维图像；

洞穴探测器的方位角检测单元，用于确认从洞穴探测器所拍摄和传输回来的全景图像的方位角，通过全方位视觉传感器所传回来的全景图像的中间就存在着一个指针图像信息，根据指南针所指的方向确定洞穴探测器方位角；

洞穴内氧浓度检测单元，用于检测在洞穴某一深度情况下的含氧量；首先通过全方位视觉传感器所传回来的全景视频图像中获取固体酒精燃烧情况视频图像，根据固体酒精燃烧时蓝色火焰的大小与在氧气充分情况下固体酒精燃烧时蓝色火焰的大小进行比较，获得洞穴内氧浓度的值；

温湿度检测单元，用于检测在洞穴某一深度情况下的温度和湿度；首先通过全方位视觉传感器所传回来的全景视频图像中获取温度和湿度传感器的视频图像，然后根据温度和湿度传感器量度值来判断洞穴某一深度情况下的温度和湿度。

作为优选的一种方案：所述的全方位视觉传感器的上盖上配置有悬挂圈，将缆索穿过悬挂圈进行连接，缆索的另一端跨过一个转向滑轮将升降架与绞盘连接起来，在转动绞盘上安置一个角度传感器，角度传感器的输出与所述的便携式微处理器中的输入接口相连接，所述的便携式微处理器还包括：洞穴探测器所处深度检测单元，用于检测目前洞穴探测器离洞穴口的距离；通过测量转动绞盘所转动的角度，然后根据绞盘的半径计算得到洞穴探测器所处深度，角度传感器的输出与微处理器中的输入接口相连接。

进一步，所述的图像处理与发送单元，用于读取全方位视觉传感器中的摄像单元的视频图像，并对该视频图像进行压缩，压缩算法采用H.264压缩标准，压缩后的图像通过无线方式发送；所述的嵌入式微处理器中的无线天线的方向朝上，即朝向洞口的方向。

更进一步，所述的视频图像展开单元包括方位角对齐子单元，用于对齐上下两个ODVS的柱状展开图中的方位角，由于所述的双目立体全方位视觉传感器是由两个面对面的全方位视觉传感器构建而成的，使用时将一台全方位视觉传感器的方位角对准另一台全方位视觉传感器的方位角。

再进一步，在所述的视频图像展开单元中，采用柱状展开方式，设展开的图像尺寸为m*l(长*宽，单位像素)，则展开算法中水平方向的计算步长为，Δβ＝2π/l；垂直方向的计算步长为Δm＝φmax-φmin/m；式中，φ_max为全景原图最大有效半径Rmax对应的场景光线入射角，φ_min为全景原图最小有效半径Rmin对应的场景光线入射角；

与用极坐标表示的全景原图中的原像点C(Φ，β)对应的球面展开方式中的C点坐标分别为：

x＝β/Δβ；y＝φ-φ_min/Δm        (6)

式中：Δβ为水平方向的计算步长，β为方位角，Δm为垂直方向的计算步长，φ全景原图有效半径R对应的场景光线入射角，φ_min为全景原图最小有效半径Rmin对应的场景光线入射角；两台全方位视觉传感器的初始方位角是以指南针的指针方向开始的，一台全方位视觉传感器是以逆时针方向展开，另一台全方位视觉传感器是以顺时针方向展开。

在所述的空间信息计算单元中，设定在方位角对齐单元中确定物点的方位角β，然后根据所述的全方位视觉传感器的设计，任何一个空间物点在两个ODVS上的两个成像点的所表示纬度值满足以下关系式；

2φmin≤φ1+φ2≤φmax+φmin      (7)

式中，Φ1为下ODVS上的成像物点的入射角，Φ2为上ODVS上的成像物点的入射角，φmax为ODVS的成像物点的最大入射角，即仰角；φmin为ODVS的成像物点的最小入射角，即俯角；

根据公式(7)所确定的范围，在同一方位角内，通过所述的方位角对齐子单元中得到物点P在双目视觉范围内在两个ODVS上的两个成像点P down(Φ1，β)和Pup(Φ2，β)，接着利用三角关系式求O点与P点的距离r，

$r=\stackrel{\‾}{\mathrm{OP}}=\sqrt{{\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-2\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}(\mathrm{dc}/2)\cos A}$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (A+B)}*\sin B]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (A+B)}*\sin B\cos A}$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}*\sin \mathrm{\φ}1]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}*\sin \mathrm{\φ}1\cos \mathrm{\φ}2}---\left(8\right)$

其中，∠A＝Φ2，∠B＝Φ1，dc为上下两个ODVS视点之间的距离；

通过物点P到立体视觉测量装置中心点O的距离、方位角信息来求物点到洞穴探测器中心点的入射角Φ，计算公式由公式(9)给出，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{dc}}{2r}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180---\left(9\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点P的入射角，dc为两个全方位视觉传感器的双曲面镜两个焦点A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2为上ODVS的入射角。

在所述的三维图像重构单元中，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有这些等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，进而重建出三维图像；具体流程如下：

1)利用公式(8)求最近双目可视距离r_min，对于上下两个ODVS来说，成像物点都为最小入射角φmin时就是最近双目可视距离r_min；求“中央眼”观察物点的入射角Φ，公式(10)是利用三角函数关系并整理后得到的入射角Φ计算方法，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{dc}}{2r}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180---\left(10\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，dc为两个全方位视觉传感器的双曲面镜两个焦点A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2上ODVS的入射角；

2)在某个距离值r和方位角β的情况下，改变入射角Φ，通过公式(11)、(12)计算得到特征点在两眼上的入射角Φ1、Φ2，

$\mathrm{\φ}1=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{dc}}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(11\right)$

$\mathrm{\φ}2=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{dc}}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(12\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，入射角Φ的变化范围满足公式(7)，dc为双目***的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ1为下ODVS的入射角，Φ2为上ODVS的入射角；

3)得到等距离球表面断层上的二维轮廓线，在某个距离值r的情况下，方位角β初始值选为0，改变方位角，采用等步长Δβ＝2π/l，判断方位角β是否为2π，如果大于或等于2π进行下面的计算，否则跳转到2)；

4)得到等距离球表面断层上的三维轮廓面，采用等步长Δr改变r，即在原来的r值上增加一个Δr值，判断r值是否超过某一规定值，如果小于该规定值跳转到2)，否则继续下面的计算；

5)将得到的一系列等距离球表面断层上的三维轮廓面按序列进行拼接得到洞穴某一深度时的三维立体全景图像。

所述的双曲面镜面是按下述公式进行设计的，双曲面镜构成的光学***由下面5个等式表示：

((X²+Y²)/a²)-((Z-c)²/b²)＝-1    当Z＞0时    (1)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(2\right)$

β＝tan^-1(Y/X)                              (3)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/(b²+c²)cosγ    (4)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(x^2+y^2)}]---\left(5\right)$

式中X、Y、Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角，即方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角，这里将α大于或等于0时称为俯角，将α小于0时称为仰角，f表示成像平面到双曲面镜的虚焦点的距离，γ表示折入射光线与Z轴的夹角。

在所述空间信息计算单元单元中，三维球面坐标系的原点就是洞穴探测器中心点，采用“中央眼”视觉方式来描述空间上物点的信息(r，Φ，β)，r为球面坐标原点O与物点P之间的距离，Φ为球面坐标原点O与物点P之间的连线与Z轴正向所夹的角，Φ角与公式(4)中所示的α角度之间的关系是，Φ＝π/2+α；对于一台全方位视觉传感器来说β为从正Z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段Op的角，该角就对应着公式(3)中所述的方位角；这里p为点P在xoy平面上的投影；所述的“中央眼”是双目视觉基线距的中点，是通过两个构成双目全方位视觉传感器的视点之间的连线中心点来算得到。

所述的燃烧罐用于存放固体酒精块，固体酒精块位于燃烧罐内，然后用通孔盖将固体酒精块固定在燃烧罐中；所述的温度传感器和湿度传感器，采用模拟指针式温湿度传感器，模拟指针式温湿度传感器的面板处在视频检测的范围内；实际检测时读取当时的温湿度传感器的面板上的指针视频图像，从而获得洞穴内的温湿度数据。

本发明的技术构思为：本发明要解决的核心问题是：将洞穴内的氧浓度和温湿度等环境信息进行可视化；所获取的洞穴内的周围全景形态图像包含着整个周围360°全方位视觉并且能恢复出其三维空间立体全景；

首先是洞穴内的氧浓度的可视化，在本发明中从火的燃烧情况来判断洞内的CO₂的浓度或者氧浓度，因此燃烧物的选择非常重要；由于固体酒精非常适应携带，是一种安全卫生、方便高雅、无毒无污染的绿色环保燃料；在燃烧时不熔化，直接由固体升华为气体燃烧，形似水晶，韧性好，不挥发不浪费、燃烧时间长，成本低、热值高、无烟无味、无残渣、清洁卫生，不污染环境。本发明中选择固体酒精作为燃烧物，通过固体酒精的燃烧情况来判断洞内的氧浓度含量；

由于固体酒精并不是固体状态的酒精，而是醋酸钠与酒精形成的凝胶。醋酸钠易溶于水而难溶于酒精，当两种溶液相混合时，醋酸钠在酒精中成为凝胶析出。液体便逐渐从浑浊到稠厚，最后凝聚为一整块，就得到固体酒精。

固体酒精燃烧时不熔化，直接由固体升华为气体燃烧，蓝火，不挥发、不浪费、火力大、热值高、燃时特长，如固体酒精200克/块，燃2.5小时以上，且可调更长；由于固体酒精无毒无烟无味，燃烧后无残渣，不会对洞穴产生环境的破坏；关于固体酒精制作步骤是：

1)将纯碱制成热的饱和溶液；

2)将醋精慢慢加入碳酸钠溶液中，直到不再产生气泡为止 醋酸与碳酸钠反应生成醋酸钠、水、二氧化碳；

3)将所得溶液蒸发制成饱和溶液；

4)将饱和溶液放入特制的成型模具内，然后在溶液中慢慢加入酒精；(注意：一开始酒精会剧烈沸腾，需慢慢倒入酒精)

5)待溶液冷却后，即可得到所期待形状，即燃烧罐尺寸相配的固体酒精块；

6)将所得固体酒精块盛放入洞穴探测器上燃烧罐中，在将洞穴探测器沉放入洞穴时点燃固体酒精。

检测洞穴内的氧浓度的方法，就是通过比较在不同氧浓度的情况下固体酒精燃烧时蓝色火焰的大小来间接判断洞穴内的氧浓度；具体做法是：首先通过视觉传感器获取固体酒精燃烧情况视频图像，始终将固体酒精燃烧时蓝色火焰处于在视频检测的范围内；然后再根据在氧气充分情况下固体酒精燃烧时蓝色火焰的大小数据，并作为标准判定数据，存放在检测仪器内的数据存储单元内；实际检测时获得当时的固体酒精燃烧时蓝色火焰的大小数据，并与标准值进行比较，从而间接获得洞穴内氧浓度的值；

为了获取洞穴内的温湿度等信息，本发明中采用模拟指针式温湿度传感器，模拟指针式温湿度传感器的面板处在视频检测的范围内；实际检测时读取当时的温湿度传感器的面板上的指针，从而获得洞穴内的温湿度数据；

为了获取基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测器离洞口的距离，本发明中通过连接基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测器的线缆长度来进行估算；

为了获取洞穴周围全景形态图像中的方位数据，本发明中采用了一个指南针，指南针的面板处在视频检测的范围内，在本发明中将指南针安置在全方位视觉传感器1的双曲面镜面2的中间，如附图5所示；通过读取指南针面板上的指针来确定洞穴周围全景形态的方位。

单个全方位视觉传感器的工作原理是：进入双曲面镜的中心的光，根据双曲面的镜面特性向着其虚焦点折射。实物图像经双曲面镜反射到聚光透镜中成像，在该成像平面上的一个点P(x，y)对应着实物在空间上的一个点的坐标A(X，Y，Z)；

图2中的2-双曲线面镜，12-入射光线，13-双曲面镜的实焦点Om(0，0，c)，14-双曲面镜的虚焦点即摄像单元6的中心Oc(0，0，-c)，15-反射光线，16-成像平面，17-实物图像的空间坐标A(X，Y，Z)，18-入射到双曲面镜面上的图像的空间坐标，19-反射在成像平面上的点P(x，y)。

图2中所示的双曲面镜构成的光学***可以由下面5个等式表示；

((X²+Y²)/a²)-((Z-c)²/b²)＝-1    当Z＞0时    (1)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(2\right)$

β＝tan^-1(Y/X)                              (3)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/(b²+c²)cosγ    (4)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(x^2+y^2)}]---\left(5\right)$

式中X、Y、Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角，即方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角，这里将α大于或等于0时称为俯角，将α小于0时称为仰角，f表示成像平面到双曲面镜的虚焦点的距离，γ表示折入射光线与Z轴的夹角；

为了获得比较大的双目视觉范围，在所述的双曲面镜面2设计时需要尽可能加大双曲面镜面的仰角，采用减小双曲面镜的实轴a和虚轴b的比来加大双曲面镜面的仰角，设计时需根据双目视觉的范围、双曲面镜的直径大小来选择一个适当的实轴a和虚轴b的比，最大仰角极限是双曲线的渐进线与X轴的夹角；

所述的燃烧罐9用于存放固体酒精块，使用时将固体酒精块放入燃烧罐9内，然后用通孔盖将固体酒精块固定在燃烧罐9中，以免在使用过程中固体酒精块脱离燃烧罐；

所述的图像处理与发送单元，用于读取全方位视觉传感器中的摄像单元6的视频图像，并对该视频图像进行压缩，压缩算法采用H.264压缩标准，压缩后的图像通过无线方式发送，所述的图像处理与发送单元中的无线天线(没有图示)的方向朝上，即朝向洞口的方向；

本发明中，除了基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测器外，还配置有一台便携式微处理器，所述的便携式微处理器安置在洞穴口处，用于接受、处理从洞穴探测器传送过来的视频信息；所述的便携式微处理器可以是市场上销售的带有无线通信功能的手提电脑。

本发明的有益效果主要表现在：

1、获取实时的洞穴内的全方位立体视频图像，并通过几何计算得到洞穴内某个深度时整个洞穴的全景图像；

2、通过视频方式来获得洞穴内的含氧量、温湿度等环境数据，将洞穴的地质环境和生物生存环境的检测集成在一起，实现了洞穴探测器的小型化、多功能化；

3、由于对组成双目立体全方位视觉传感装置的每个ODVS采用了相同设计，采集图像的两个摄像机的参数完全一致，具有极好的对称性，在球面坐标的情况下获取实时视频图像，能实现快速的点与点的匹配，为后续的立体图像处理提供了极大的方便；

4、不在需要繁琐的摄像机标定工作、特征提取十分方便、能实现快速的立体图像匹配；

5、由于ODVS的设计采用的是折反射技术，因而不存在固定的焦距的问题，在任何区域范围内图像的清晰度是一样的；

6、在图像的获取手段立体匹配、三维图像重构等上采用了同一极球面坐标处理手段，可利用数字几何的计算方法能容易实现洞穴内环境的三维图像重构和三维物体测量。

附图说明

图1为一种全方位视觉传感器的结构图；

图2为全方位视觉传感器的成像原理图；

图3为一种基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置的结构图；

图4为一种基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置的三维立体测量说明图；

图5为全方位视觉传感器1的双曲面镜面上安置指南针的说明图；

图6(a)为双目立体全方位视觉传感器中的下ODVS所抓拍的全景图像示意图，图6(b)为双目立体全方位视觉传感器中的下ODVS所抓拍的全景图的柱状展开图；

图7(a)为双目立体全方位视觉传感器中的上ODVS所抓拍的全景图像示意图，图7(b)为双目立体全方位视觉传感器中的上ODVS所抓拍的全景图的柱状展开图；

图8为双目立体全方位视觉传感器的上下ODVS的展开图中对准方位角、实现物点匹配的说明图；

图9为便携式微处理器中的检测软件处理的框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图9，一种基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，由沉放于要探测洞穴内的洞穴探测器和安置在洞穴口边缘处的便携式微处理器所构成；所述的洞穴探测器将洞穴内的地质地貌视频信息、温度和湿度信息、氧浓度信息通过无线传输的方式传送给所述的便携式微处理器；所述的洞穴探测器的沉放深度信息是通过沉放线缆进行测量并传送给所述的便携式微处理器；所述的洞穴探测器由两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器和用于对两台全方位视觉传感器的图像进行图像压缩和传输的微处理器所构成，形成一个面对面形式的双目立体全方位视觉传感器；

所述全方位视觉传感器包括双曲面镜面2、上盖1、透明钢化玻璃外罩3、下固定座4、摄像单元固定座5、摄像单元6、连接单元7、上罩8、图像处理与发送单元23、供电单元24，如附图1所示；所述的双曲面镜面2固定在所述的上盖1上，所述的连接单元7将所述的下固定座4和透明钢化玻璃外罩3连接成一体，所述的透明钢化玻璃外罩3与所述的上盖1以及所述的上罩8通过螺钉固定在一起，所述的摄像单元6用螺钉固定在所述的摄像单元固定座5上，所述的摄像单元6固定座5用螺钉固定在所述的下固定座4上，所述的摄像单元6的输出与所述的图像处理与发送单元23进行连接，所述的供电单元24给所述的图像处理与发送单元23供电；

单个全方位视觉传感器的工作原理是：进入双曲面镜的中心的光，根据双曲面的镜面特性向着其虚焦点折射。实物图像经双曲面镜反射到聚光透镜中成像，在该成像平面上的一个点P(x，y)对应着实物在空间上的一个点的坐标A(X，Y，Z)；

图2中的2-双曲线面镜，12-入射光线，13-双曲面镜的实焦点Om(0，0，c)，14-双曲面镜的虚焦点即摄像单元6的中心Oc(0，0，-c)，15-反射光线，16-成像平面，17-实物图像的空间坐标A(X，Y，Z)，18-入射到双曲面镜面上的图像的空间坐标，19-反射在成像平面上的点P(x，y)。

图2中所示的双曲面镜构成的光学***可以由下面5个等式表示；

((X²+Y²)/a²)-((Z-c)²/b²)＝-1    当Z＞0时    (1)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(2\right)$

β＝tan^-1(Y/X)                              (3)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/(b²+c²)cosγ    (4)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(x^2+y^2)}]---\left(5\right)$

式中X、Y、Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角，即方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角，这里将α大于或等于0时称为俯角，将α小于0时称为仰角，f表示成像平面到双曲面镜的虚焦点的距离，γ表示折入射光线与Z轴的夹角；

为了获得比较大的双目视觉范围，在所述的双曲面镜面2设计时需要尽可能加大双曲面镜面的仰角，采用减小双曲面镜的实轴a和虚轴b的比来加大双曲面镜面的仰角，设计时需根据双目视觉的范围、双曲面镜的直径大小来选择一个适当的实轴a和虚轴b的比，最大仰角极限是双曲线的渐进线与X轴的夹角；

更进一步，通过两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器集成构建一个双目立体全方位视觉传感器，如附图3所示；为了要获取洞穴内的氧浓度信息和温湿度信息，本发明中首先将两个燃烧罐9固定在圆形平板22上，然后将圆形平板22固定在所述的一台全方位视觉传感器的下固定座4上，本发明中将其称为全方位视觉传感器1；接着分别将温度传感器10和湿度传感器11固定在圆形平板21上，然后将圆形平板21固定在所述的另一台全方位视觉传感器的下固定座4上，本发明中将其称为全方位视觉传感器2；最后通过螺钉连接方式将两台全方位视觉传感器连接起来，圆形平板21与圆形平板22的尺寸相匹配，通过这样的连接能保证两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器在同一轴心线上；连接后两台全方位视觉传感器具有共同的视觉范围，如图4中的斜线所示，斜线部分就是双目立体全景成像范围；

更进一步，为了悬挂双目立体全方位视觉传感器，在固定有燃烧罐9的全方位视觉传感器1的上盖1上配置有悬挂圈23，实际使用时将缆索穿过悬挂圈23进行连接；两个燃烧罐9中燃烧的火焰的图像信息是通过全方位视觉传感器1来获取的，温度传感器10和湿度传感器11上的图像信息是通过全方位视觉传感器2来获取的；

更进一步，为了获取洞穴周围全景形态图像中的方位数据，本发明中采用了一个指南针，指南针的面板处在视频检测的范围内，在本发明中将指南针安置在全方位视觉传感器1的双曲面镜面2的中间，如附图5所示；通过读取指南针面板上的指针来确定洞穴周围全景形态的方位；

更进一步，为了将洞穴内的地质地貌视频数据、温湿度数据和含氧量数据发送给洞穴口边缘的携带式微处理器，在本发明中采用了两台嵌入式微处理器，分别用于对两台全方位视觉传感器的图像进行图像压缩和传输；在这两台嵌入式微处理器中主要包括有图像处理与发送单元；

所述的图像处理与发送单元，用于读取全方位视觉传感器中的摄像单元6的视频图像，并对该视频图像进行压缩，压缩算法采用H.264压缩标准，压缩后的图像通过无线方式发送，所述的图像处理与发送单元中的无线天线(没有图示)的方向朝上，即朝向洞口的方向；

更进一步，为了获取洞穴探测器沉放的深度信息，在本发明中，采用测量沉放线缆的长度方式来得到洞穴探测器沉放的深度；具体做法是将线缆的一端与全方位视觉传感器1的上盖1上的悬挂圈23进行连接，线缆的另一端跨过一个转向滑轮将升降架与绞盘连接起来，这样通过手动转动绞盘，就可实现基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测器的升与降，通过测量转动绞盘所转动的角度来计算出洞穴探测器离洞穴口的距离；测量转动绞盘所转动的角度是在转动绞盘上安置一个角度传感器，角度传感器的输出与微处理器中的输入接口相连接；

本发明中，除了基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测器外，还配置有一台便携式微处理器，所述的便携式微处理器安置在洞穴口处，用于接受、处理从洞穴探测器传送过来的视频信息；所述的便携式微处理器可以是市场上销售的带有无线通信功能的手提电脑；

所述的便携式微处理器包括：无线视频图像读取单元，用于读取两个相同成像参数的全方位视觉传感器的视频图像，同时对两幅视频图像用H.264压缩标准进行解压缩，并将解压缩后的结果保存在指定的存储设备中，其输出与视频图像展开单元连接；视频图像展开单元，用于对全方位视觉传感器的原始视频图像进行图像预处理，图像预处理中首先按方位角为0°处，即指南针所指的方向开始对全方位图像进行展开，展开后的结果保存在指定的存储单元中，其输出与物点匹配单元连接；物点匹配单元，用于找出同一时刻两个不同视点的图像中同一物点对应的两个像点，其输出与空间信息计算单元连接；空间信息计算单元，用于计算空间上的物点到立体视觉测量装置中心点的距离、方位角以及入射角，其输出与三维图像重构单元连接；三维图像重构单元，用于重构出以洞穴探测器为视觉空间的中心的三维立体图像，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有这些等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，进而重建出洞穴内某一深度时的三维图像，如附图9所示；

所述的便携式微处理器还包括：洞穴探测器所处深度检测单元，用于检测目前洞穴探测器离洞穴口的距离；具体做法是：通过测量转动绞盘所转动的角度，然后根据绞盘的半径计算得到洞穴探测器所处深度，角度传感器的输出与微处理器中的输入接口相连接；

所述的便携式微处理器还包括：洞穴探测器的方位角检测单元，用于确认从洞穴探测器所拍摄和传输回来的全景图像的方位角，本发明中在全方位视觉传感器1的双曲面镜面2的中间配置有一个指南针25，如附图5所示，通过全方位视觉传感器1所传回来的全景图像的中间就存在着一个指针图像信息，根据指南针所指的方向，就可确定洞穴探测器方位角；

所述的便携式微处理器还包括：洞穴内氧浓度检测单元，用于检测在洞穴某一深度情况下的含氧量；具体做法是首先通过全方位视觉传感器1所传回来的全景视频图像中获取固体酒精燃烧情况视频图像，根据固体酒精燃烧时蓝色火焰的大小与在氧气充分情况下固体酒精燃烧时蓝色火焰的大小进行比较，间接获得洞穴内氧浓度的值；

洞穴内氧浓度检测的具体做法是：首先是洞穴内的氧浓度的可视化，在本发明中从火的燃烧情况来判断洞内的CO₂的浓度或者氧浓度，因此燃烧物的选择非常重要；由于固体酒精非常适应携带，是一种安全卫生、方便高雅、无毒无污染的绿色环保燃料；在燃烧时不熔化，直接由固体升华为气体燃烧，形似水晶，韧性好，不挥发不浪费、燃烧时间长，成本低、热值高、无烟无味、无残渣、清洁卫生，不污染环境。本发明中选择固体酒精作为燃烧物，通过固体酒精的燃烧情况来判断洞内的氧浓度含量；

由于固体酒精并不是固体状态的酒精，而是醋酸钠与酒精形成的凝胶。醋酸钠易溶于水而难溶于酒精，当两种溶液相混合时，醋酸钠在酒精中成为凝胶析出。液体便逐渐从浑浊到稠厚，最后凝聚为一整块，就得到固体酒精。

固体酒精燃烧时不熔化，直接由固体升华为气体燃烧，蓝火，不挥发、不浪费、火力大、热值高、燃时特长，如固体酒精200克/块，燃2.5小时以上，且可调更长；由于固体酒精无毒无烟无味，燃烧后无残渣，不会对洞穴产生环境的破坏；关于固体酒精制作步骤是：

1)将纯碱制成热的饱和溶液；

2)将醋精慢慢加入碳酸钠溶液中，直到不再产生气泡为止醋酸与碳酸钠反应生成醋酸钠、水、二氧化碳；

3)将所得溶液蒸发制成饱和溶液；

4)将饱和溶液放入特制的成型模具内，然后在溶液中慢慢加入酒精；(注意：一开始酒精会剧烈沸腾，需慢慢倒入酒精)

5)待溶液冷却后，即可得到所期待形状，即燃烧罐尺寸相配的固体酒精块；

6)将所得固体酒精块盛放入洞穴探测器上燃烧罐中，在将洞穴探测器沉放入洞穴时点燃固体酒精。

所述的便携式微处理器还包括：温湿度检测单元，用于检测在洞穴某一深度情况下的温度和湿度；具体做法是首先通过全方位视觉传感器2所传回来的全景视频图像中获取温度和湿度传感器的视频图像，然后根据温度和湿度传感器量度值来判断洞穴某一深度情况下的温度和湿度；

所述的视频图像展开单元，这里采用柱状展开方式，设展开的图像尺寸为m*l(长*宽，单位像素)，则展开算法中水平方向的计算步长为，Δβ＝2π/l；垂直方向的计算步长为Δm＝φmax-φmin/m；式中，φ_max为全景原图最大有效半径Rmax对应的场景光线入射角，φ_min为全景原图最小有效半径Rmin对应的场景光线入射角，如附图6、附图7所示；

与用极坐标表示的全景原图中的原像点C(Φ，β)对应的球面展开方式中的C点坐标分别为：

x＝β/Δβ；y＝φ-φ_min/Δm    (6)

式中：Δβ为水平方向的计算步长，β为方位角，Δm为垂直方向的计算步长，φ全景原图有效半径R对应的场景光线入射角，φ_min为全景原图最小有效半径Rmin对应的场景光线入射角；两台全方位视觉传感器的初始方位角是以指南针的指针方向开始的，全方位视觉传感器1是以逆时针方向展开，全方位视觉传感器2是一顺时针方向展开；

作为优选的一种方案：所述的视频图像展开单元还包括方位角对齐子单元；所述的方位角对齐子单元，用于对齐上下两个ODVS的柱状展开图中的方位角，由于所述的双目立体全方位视觉传感器是由两个面对面的全方位视觉传感器构建而成的，使用时需要将全方位视觉传感器2的方位角对准全方位视觉传感器1的方位角；

作为优选的另一种方案：在所述空间位置信息计算单元中，三维球面坐标系的原点就是洞穴探测器中心点，采用“中央眼”视觉方式来描述空间上物点的信息(r，Φ，β)，r为球面坐标原点O与物点P之间的距离，如附图4所示，Φ为球面坐标原点O与物点P之间的连线与Z轴正向所夹的角，Φ角与公式(4)中所示的α角度之间的关系是，Φ＝π/2+α；对于全方位视觉传感器1来说β为从正Z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段Op的角，该角就对应着公式(3)中所述的方位角；这里p为点P在xoy平面上的投影；所述的“中央眼”是双目视觉基线距的中点，是通过两个构成双目全方位视觉传感器的视点之间的连线中心点来算得到；

作为优选的再一种方案：在所述的方位角对齐子单元中，对齐上下两个ODVS的柱状展开图中的方位角的过程为：对于同一个空间上的物点C在双目视觉范围内在两个ODVS的全景原图中存在着两个成像点Cdown(Φ1，β1)和Cup(Φ2，β2)，且这两个成像点的方位角相同的，即β1＝β2；则对应在柱状展开图中这两个点的X坐标也必须相同，即x1＝x2；根据上述X坐标相同来对齐上下两个ODVS的柱状展开图中的方位角。

进一步，在所述的空间信息计算单元中，设定在方位角对齐单元中确定了物点的方位角β，然后根据上述的全方位视觉传感器的设计，任何一个空间物点在两个ODVS上的两个成像点的所表示纬度值必定要满足以下关系式；

                                      (7)

2φmin≤φ1+φ2≤φmax+φmin

式中，Φ1为下ODVS上的成像物点的入射角，Φ2为上ODVS上的成像物点的入射角，φmax为ODVS的成像物点的最大入射角，即仰角；φmin为ODVS的成像物点的最小入射角，即俯角；

根据公式(7)所确定的范围，在同一方位角内，即在附图8所示的Y方向上寻找匹配点，附图6(a)是下ODVS所拍摄的全景图，附图6(b)是下ODVS所拍摄的全景图的柱状展开图，附图7(a)是上ODVS所拍摄的全景图，附图7(b)是上ODVS所拍摄的全景图的柱状展开图，通过所述的方位角对齐子单元在附图6(a)和附图7(a)中得到物点P在双目视觉范围内在两个ODVS上的两个成像点Pdown(Φ1，β)和Pup(Φ2，β)，接着利用三角关系式求O点与P点的距离r，

$r=\stackrel{\‾}{\mathrm{OP}}=\sqrt{{\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-2\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}(\mathrm{dc}/2)\cos A}$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (A+B)}*\sin B]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (A+B)}*\sin B\cos A}$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}*\sin \mathrm{\φ}1]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}*\sin \mathrm{\φ}1\cos \mathrm{\φ}2}---\left(8\right)$

其中，∠A＝Φ2，∠B＝Φ1，dc为上下两个ODVS视点之间的距离；

通过物点P到立体视觉测量装置中心点O的距离、方位角信息来求物点到洞穴探测器中心点的入射角Φ，计算公式由公式(9)给出，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{dc}}{2r}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180---\left(9\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点P的入射角，dc为两个全方位视觉传感器的双曲面镜2焦点A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2为上ODVS的入射角。

采用“中央眼”视觉方式来描述空间上物点的信息(r，Φ，β)，其中r表示物点的距离感信息，Φ和β表示物点的方向感信息；

进一步，在所述的三维图像重构单元中，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有这些等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，进而重建出三维图像；具体算法是：

1)利用公式(8)求最近双目可视距离r_min，对于上下两个ODVS来说，成像物点都为最小入射角φmin时就是最近双目可视距离r_min；求“中央眼”观察物点的入射角Φ，公式(10)是利用三角函数关系并整理后得到的入射角Φ计算方法，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{dc}}{2r}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180---\left(10\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，dc为两个全方位视觉传感器的双曲面镜2焦点A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2上ODVS的入射角；

2)在某个距离值r和方位角β的情况下，改变入射角Φ，通过公式(11)、(12)计算得到特征点在两眼上的入射角Φ1、Φ2，

$\mathrm{\φ}1=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{dc}}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(11\right)$

$\mathrm{\φ}2=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{dc}}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(12\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，入射角Φ的变化范围满足公式(7)，dc为双目***的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ1为下ODVS的入射角，Φ2为上ODVS的入射角；

3)得到等距离球表面断层上的二维轮廓线，在某个距离值r的情况下，方位角β初始值选为0，改变方位角，采用等步长Δβ＝2π/l，判断方位角β是否为2π，如果大于或等于2π进行下面的计算，否则跳转到2)；

4)得到等距离球表面断层上的三维轮廓面，采用等步长Δr改变r，即在原来的r值上增加一个Δr值，判断r值是否超过某一规定值，如果小于该规定值跳转到2)，否则继续下面的计算；

5)将得到的一系列等距离球表面断层上的三维轮廓面按序列进行拼接得到洞穴某一深度时的三维立体全景图像。

考虑到洞穴内光照不充分或者燃烧罐9中燃烧的火焰熄灭情况发生时，需要有照明使得在洞穴内的洞穴探测器仍能够获得比较清晰的洞穴内全景视频图像，在本发明中采用LED照明器件来进行照明，具体做法是将8个LED均匀地分布在圆形平板21与圆形平板22之间，发光方向向外；当检测到全景视频图像中成像的光照强度或者图像不清晰情况发生时，即环境的光照强度低于成像芯片的最低照度时，嵌入式微处理器自动控制LED的供电电路接通，为8个LED供电。

Claims (10)

1、一种基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，其特征在于：所述基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置包括沉放于要探测洞穴内的洞穴探测器和安置在洞穴口边缘处的便携式微处理器；所述的洞穴探测器由两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器和用于对两台全方位视觉传感器的图像进行图像压缩和传输的嵌入式微处理器所构成，所述两台全方位视觉传感器以面对面的方式连接形成双目立体全方位视觉传感器；所述的洞穴探测器将洞穴内的地质地貌视频信息、温度和湿度信息、氧浓度信息通过无线传输的方式传送给所述的便携式微处理器；所述的洞穴探测器的沉放深度信息是通过沉放线缆测量并传送给所述的便携式微处理器；

所述的全方位视觉传感器包括双曲面镜面、上盖、透明钢化玻璃外罩、下固定座、摄像单元固定座、摄像单元、连接单元、上罩、用于对两台全方位视觉传感器的图像进行图像压缩和传输的图像处理与发送单元和用以对图像处理与发送单元供电的供电单元；所述的双曲面镜面固定在所述的上盖上，所述的连接单元将所述的下固定座和透明钢化玻璃外罩连接成一体，所述的透明钢化玻璃外罩与所述的上盖以及所述的上罩固定连接，所述的摄像单元固定在所述的摄像单元固定座上，所述的摄像单元固定座固定在所述的下固定座上，所述的摄像单元的输出与所述的图像处理与发送单元连接，所述的供电单元与所述的图像处理与发送单元连接；

两个燃烧罐固定在第一圆形平板上，所述第一圆形平板固定在上方的全方位视觉传感器的下固定座上；温度传感器和湿度传感器固定在第二圆形平板上，所述第二圆形平板固定在下方的全方位视觉传感器的下固定座上；第一圆形平板和第二圆形平板固定连接；两台具有相同成像参数的全方位视觉传感器在同一轴心线上，连接后两台全方位视觉传感器具有共同的视觉范围；

所述的全方位视觉传感器的双曲面镜面的中部固定有一个用于确定洞穴周围全景形态的方位的指南针；

所述的便携式微处理器包括：

无线视频图像读取单元，用于读取两个相同成像参数的全方位视觉传感器的视频图像，同时对两幅视频图像用H.264压缩标准进行解压缩，并将解压缩后的结果保存在指定的存储设备中，其输出与视频图像展开单元连接；

视频图像展开单元，用于对全方位视觉传感器的原始视频图像进行图像预处理，图像预处理中首先按方位角为0°处，即指南针所指的方向开始对全方位图像进行展开，展开后的结果保存在指定的存储单元中，其输出与物点匹配单元连接；

物点匹配单元，用于找出同一时刻两个不同视点的图像中同一物点对应的两个像点，其输出与空间信息计算单元连接；

空间信息计算单元，用于计算空间上的物点到立体视觉测量装置中心点的距离、方位角以及入射角，其输出与三维图像重构单元连接；

三维图像重构单元，用于重构出以洞穴探测器为视觉空间的中心的三维立体图像，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有这些等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，进而重建出洞穴内某一深度时的三维图像；

洞穴探测器的方位角检测单元，用于确认从洞穴探测器所拍摄和传输回来的全景图像的方位角，通过全方位视觉传感器所传回来的全景图像的中间就存在着一个指针图像信息，根据指南针所指的方向确定洞穴探测器方位角；

洞穴内氧浓度检测单元，用于检测在洞穴某一深度情况下的含氧量；首先通过全方位视觉传感器所传回来的全景视频图像中获取固体酒精燃烧情况视频图像，根据固体酒精燃烧时蓝色火焰的大小与在氧气充分情况下固体酒精燃烧时蓝色火焰的大小进行比较，获得洞穴内氧浓度的值；

温湿度检测单元，用于检测在洞穴某一深度情况下的温度和湿度；首先通过全方位视觉传感器所传回来的全景视频图像中获取温度和湿度传感器的视频图像，然后根据温度和湿度传感器量度值来判断洞穴某一深度情况下的温度和湿度。

2、如权利要求1所述的基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，其特征在于：所述的全方位视觉传感器的上盖上配置有悬挂圈，将缆索穿过悬挂圈进行连接，缆索的另一端跨过一个转向滑轮将升降架与绞盘连接起来，在转动绞盘上安置一个角度传感器，角度传感器的输出与所述的便携式微处理器中的输入接口相连接，所述的便携式微处理器还包括：洞穴探测器所处深度检测单元，用于检测目前洞穴探测器离洞穴口的距离；通过测量转动绞盘所转动的角度，然后根据绞盘的半径计算得到洞穴探测器所处深度，角度传感器的输出与微处理器中的输入接口相连接。

3、如权利要求1或2所述的基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，其特征在于：所述的图像处理与发送单元，用于读取全方位视觉传感器中的摄像单元的视频图像，并对该视频图像进行压缩，压缩算法采用H.264压缩标准，压缩后的图像通过无线方式发送；所述的嵌入式微处理器中的无线天线的方向朝上，即朝向洞口的方向。

4、如权利要求1或2所述的基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，其特征在于：所述的视频图像展开单元包括方位角对齐子单元，用于对齐上下两个ODVS的柱状展开图中的方位角，由于所述的双目立体全方位视觉传感器是由两个面对面的全方位视觉传感器构建而成的，使用时将一台全方位视觉传感器的方位角对准另一台全方位视觉传感器的方位角。

5、如权利要求1或2所述的基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，其特征在于：在所述的视频图像展开单元中，采用柱状展开方式，设展开的图像尺寸为m*1(长*宽，单位像素)，则展开算法中水平方向的计算步长为，Δβ＝2π/l；垂直方向的计算步长为Δm＝φmax-φmin/m；式中，φ_max为全景原图最大有效半径Rmax对应的场景光线入射角，φ_min为全景原图最小有效半径Rmin对应的场景光线入射角；

与用极坐标表示的全景原图中的原像点C(Φ，β)对应的球面展开方式中的C点坐标分别为：

x＝β/Δβ；y＝φ-φ_min/Δm     (6)

式中：Δβ为水平方向的计算步长，β为方位角，Δm为垂直方向的计算步长，φ全景原图有效半径R对应的场景光线入射角，φ_min为全景原图最小有效半径Rmin对应的场景光线入射角；两台全方位视觉传感器的初始方位角是以指南针的指针方向开始的，一台全方位视觉传感器是以逆时针方向展开，另一台全方位视觉传感器是以顺时针方向展开。

6、如权利要求4所述的基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，其特征在于：在所述的空间信息计算单元中，设定在方位角对齐单元中确定物点的方位角β，然后根据所述的全方位视觉传感器的设计，任何一个空间物点在两个ODVS上的两个成像点的所表示纬度值满足以下关系式；

2φmin≤φ1+φ2≤φmax+φmin    (7)

式中，Φ1为下ODVS上的成像物点的入射角，Φ2为上ODVS上的成像物点的入射角，φmax为ODVS的成像物点的最大入射角，即仰角；φmin为ODVS的成像物点的最小入射角，即俯角；

根据公式(7)所确定的范围，在同一方位角内，通过所述的方位角对齐子单元中得到物点P在双目视觉范围内在两个ODVS上的两个成像点P down(Φ1，β)和Pup(Φ2，β)，接着利用三角关系式求O点与P点的距离r，

$r=\stackrel{\‾}{\mathrm{OP}}=\sqrt{{\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-2\stackrel{\‾}{\mathrm{AC}}(\mathrm{dc}/2)\cos A}$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (A+B)}*\sin B]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (A+B)}*\sin B\cos A}$

$=\sqrt{{[\frac{\mathrm{dc}}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}*\sin \mathrm{\φ}1]}^2+{(\mathrm{dc}/2)}^2-\frac{{\mathrm{dc}}^2}{\sin (\mathrm{\φ}1+\mathrm{\φ}2)}*\sin \mathrm{\φ}1\cos \mathrm{\φ}2}---\left(8\right)$

其中，∠A＝Φ2，∠B＝Φ1，dc为上下两个ODVS视点之间的距离；

通过物点P到立体视觉测量装置中心点O的距离、方位角信息来求物点到洞穴探测器中心点的入射角Φ，计算公式由公式(9)给出，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{dc}}{2r}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180---\left(9\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点P的入射角，dc为两个全方位视觉传感器的双曲面镜两个焦点A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2为上ODVS的入射角。

7、如权利要求6所述的基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，其特征在于：在所述的三维图像重构单元中，采用基于等距离球表面各断层上提取的二维轮廓线构造断层间的实体表面段，由所有这些等距离各断层间的实体表面段组成对象的轮廓面，进而重建出三维图像；具体流程如下：

1)利用公式(8)求最近双目可视距离r_min，对于上下两个ODVS来说，成像物点都为最小入射角φmin时就是最近双目可视距离r_min；求“中央眼”观察物点的入射角Φ，公式(10)是利用三角函数关系并整理后得到的入射角Φ计算方法，

$\mathrm{\φ}=\arcsin \left(\frac{\mathrm{dc}}{2r}\sin \mathrm{\φ}2\right)+\mathrm{\φ}2-180$

                                (10)

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，dc为两个全方位视觉传感器的双曲面镜两个焦点A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ2上ODVS的入射角；

2)在某个距离值r和方位角β的情况下，改变入射角Φ，通过公式(11)、(12)计算得到特征点在两眼上的入射角Φ1、Φ2，

$\mathrm{\φ}1=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}+\frac{\mathrm{dc}}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(11\right)$

$\mathrm{\φ}2=\mathrm{arccot}\left(\frac{\cos \mathrm{\φ}-\frac{\mathrm{dc}}{2r}}{\sin \mathrm{\φ}}\right)---\left(12\right)$

式中，Φ为“中央眼”观察物点的入射角，入射角Φ的变化范围满足公式(7)，dc为双目***的A点和B点之间的距离，r为特征点到“中央眼”的距离，Φ1为下ODVS的入射角，Φ2为上ODVS的入射角；

3)得到等距离球表面断层上的二维轮廓线，在某个距离值r的情况下，方位角β初始值选为0，改变方位角，采用等步长Δβ＝2π/l，判断方位角β是否为2π，如果大于或等于2π进行下面的计算，否则跳转到2)；

4)得到等距离球表面断层上的三维轮廓面，采用等步长Δr改变r，即在原来的r值上增加一个Δr值，判断r值是否超过某一规定值，如果小于该规定值跳转到2)，否则继续下面的计算；

5)将得到的一系列等距离球表面断层上的三维轮廓面按序列进行拼接得到洞穴某一深度时的三维立体全景图像。

8、如权利要求1所述的基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，其特征在于：所述的双曲面镜面是按下述公式进行设计的，双曲面镜构成的光学***由下面5个等式表示：

((X²+Y²)/a²)-((Z-c)²/b²)＝-1当Z＞0时    (1)

$c=\sqrt{a^2+b^2}---\left(2\right)$

β＝tan^-1(Y/X)                          (3)

α＝tan^-1[(b²+c²)sinγ-2bc]/(b²+c²)cosγ(4)

$\mathrm{\γ}={\tan }^{-1}[f/\sqrt{(x^2+y^2)}]---\left(5\right)$

式中X、Y、Z表示空间坐标，c表示双曲面镜的焦点，2c表示两个焦点之间的距离，a，b分别是双曲面镜的实轴和虚轴的长度，β表示入射光线在XY平面上的夹角，即方位角，α表示入射光线在XZ平面上的夹角，这里将α大于或等于0时称为俯角，将α小于0时称为仰角，f表示成像平面到双曲面镜的虚焦点的距离，γ表示折入射光线与Z轴的夹角。

9、如权利要求8所述的基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，其特征在于：在所述空间信息计算单元单元中，三维球面坐标系的原点就是洞穴探测器中心点，采用“中央眼”视觉方式来描述空间上物点的信息(r，Φ，β)，r为球面坐标原点O与物点P之间的距离，Φ为球面坐标原点O与物点P之间的连线与Z轴正向所夹的角，Φ角与公式(4)中所示的α角度之间的关系是，Φ＝π/2+α；对于一台全方位视觉传感器来说β为从正Z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段Op的角，该角就对应着公式(3)中所述的方位角；这里p为点P在xoy平面上的投影；所述的“中央眼”是双目视觉基线距的中点，是通过两个构成双目全方位视觉传感器的视点之间的连线中心点来算得到。

10、如权利要求1所述的基于双目立体全方位视觉传感器的洞穴探测装置，其特征在于：所述的燃烧罐用于存放固体酒精块，固体酒精块位于燃烧罐内，然后用通孔盖将固体酒精块固定在燃烧罐中；所述的温度传感器和湿度传感器，采用模拟指针式温湿度传感器，模拟指针式温湿度传感器的面板处在视频检测的范围内；实际检测时读取当时的温湿度传感器的面板上的指针视频图像，从而获得洞穴内的温湿度数据。

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