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基于图像灰度双特征与高斯混合模型-三角阈值算法的水下光信标识别

陈子俊,  杨柯,  王猛

陈子俊, 杨柯, 王猛. 基于图像灰度双特征与高斯混合模型-三角阈值算法的水下光信标识别[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(6): 1-10 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0112
引用本文: 陈子俊, 杨柯, 王猛. 基于图像灰度双特征与高斯混合模型-三角阈值算法的水下光信标识别[J]. 水下无人系统学报, 2026, 34(6): 1-10 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0112
CHEN Zijun, YANG Ke, WANG Meng. Underwater optical beacon recognition based on dual image gray features and gaussian mixture model-triangle threshold algorithm[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0112
Citation: CHEN Zijun, YANG Ke, WANG Meng. Underwater optical beacon recognition based on dual image gray features and gaussian mixture model-triangle threshold algorithm[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0112

基于图像灰度双特征与高斯混合模型-三角阈值算法的水下光信标识别

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.2026-0112
基金项目: 国家自然科学基金项目(52231011).
详细信息
    作者简介:

    陈子俊(2002-), 男, 硕士在读, 主要研究方向为水下视觉及控制

  • 中图分类号: TP391.4; U674

Underwater optical beacon recognition based on dual image gray features and gaussian mixture model-triangle threshold algorithm

  • 摘要: 基于视觉与光信标导引的水下目标识别是实现水下近距离对接的重要手段。水下光信标的识别精度决定了水下对接目标的定位精度。针对水下光信标识别精度与分割算法运行效率问题, 提出了图像灰度双特征驱动的高斯混合模型(GMM)-三角阈值算法(TTA)。首先, 以图像灰度双特征为指标, 采用支持向量机(SVM)判断水下图像中是否包含光信标; 其次, 设计GMM-TTA算法对包含水下光信标的图像进行分割, 提升水下光信标识别精度; 最后, 通过水下对接实验获得的图像对所提算法进行验证。实验结果表明, 所提算法能够准确识别水下图像中是否包含光信标, 并在图像分割阶段成功抑制了水下强散射晕染, 提取目标平均圆度优于GMM、TTA、最大类间方差法(OTSU)、GMM-OTSU算法。

     

  • 图  1  无光信标的水下图像(工况1)

    Figure  1.  Underwater images without optical beacons (condition 1)

    图  2  包含光信标但无法识别的水下图像(工况2)

    Figure  2.  Underwater images with optical beacons that cannot be recognized (condition 2)

    图  3  包含可识别光信标的图像(工况3)

    Figure  3.  Underwater images with recognizable optical beacons (condition 3)

    图  4  3类工况下的$ {{\boldsymbol{Q}}}_{{\boldsymbol{1}}{{\_}}{{\bf{norm}}}} $与$ {{\boldsymbol{Q}}}_{2\_\bf{norm}} $

    Figure  4.  $ {{\boldsymbol{Q}}}_{{\boldsymbol{}}1\_\bf{norm}} $and $ {{\boldsymbol{Q}}}_{{\boldsymbol{2}}\_\bf{norm}} $ under three working conditions

    图  5  3种工况双特征分布

    Figure  5.  Dual feature distribution under three working conditions

    图  6  基于SVM求解的最优决策平面效果图

    Figure  6.  The effect diagram of the optimal decision plane obtained through the SVM solution

    图  7  分类算法泛化性能验证

    Figure  7.  Generalization performance verification of classification algorithm

    图  8  GMM-Triangle算法流程图

    Figure  8.  Flowc hart of the GMM-TTA

    图  9  自适应算法核心参数变化曲线

    Figure  9.  Adaptive algorithm core parameter variation curve

    图  10  绿色海水环境下光信标分割结果

    Figure  10.  Optical beacon segmentation results under green seawater environment

    图  11  蓝色海水环境下光信标图像分割结果

    Figure  11.  Optical beacon segmentation results under blue seawater environment

    图  12  黑色背景下光信标分割结果

    Figure  12.  Optical beacon segmentation results under black background

    表  1  独立测试集分类结果

    Table  1.   Classification results on the independent test set

    测试数据集样本数准确率/%精确率/%召回率/%
    绿色水体测试集50087.496.27776.371
    蓝色水体测试集50085.698.83754.487
    独立测试集100086.597.08067.684
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    表  2  SVM模型训练集与测试集样本划分及构成

    Table  2.   Sample partitioning and composition of training and testing sets for SVM models

    数据集样本数正样本负样本正样本比例/%用途
    训练集2000591140929.55训练
    绿色水体测试集50015634431.2测试
    蓝色水体测试集50023726347.4测试
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    表  3  不同水体环境下SVM预筛选对算法运行效率的影响

    Table  3.   The impact of SVM pre-screening on algorithm runtime efficiency under different aquatic environments

    数据集 方法 平均
    耗时/ms
    平均
    帧率
    调用
    降低/%
    总耗时
    降低/%
    绿色 GMM-TTA 120.40 8.31 0 0
    绿色 SVM+GMM-TTA 60.64 16.49 78.3 49.63
    蓝色 GMM-TTA 118.96 8.41 0 0
    蓝色 SVM+GMM-TTA 83.01 12.05 59.41 30.22
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    表  4  实验场景光学量化条件及结果

    Table  4.   Optical quantification conditions and results of the experimental scenario

    实验场景透射率均值采集距
    离范围/m
    采集设备
    绿色海水环境0.6323~10ROVMAKER水下
    双目相机(视场角 70°)
    蓝色海水环境0.880
    黑色背景环境0.987
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    表  5  算法核心参数

    Table  5.   Core parameter of the algorithms

    算法 核心参数 类型
    GMM K=5,$\alpha_i $、$\beta _i=0.005 $,T=0.7 固定阈值算法
    OTSU 如图9,随帧数变化 自适应算法
    TTA 如图9,随帧数变化 自适应算法
    GMM-OTSU K=5,$\alpha_i $、$\beta _i=0.005 $,T=0.7 自适应部分变化
    趋势如图9
    GMM-TTA 同上 同上
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    表  6  平均圆度计算结果

    Table  6.   The average roundness calculation results

    实验数据集文中算法GMMTTAOTSUGMM-OTSU
    绿色海水10.910.690.580.720.85
    绿色海水20.950.750.620.830.91
    绿色海水30.890.550.420.620.79
    蓝色海水10.730.420.380.620.68
    蓝色海水20.990.890.800.920.95
    蓝色海水30.920.850.650.850.88
    黑色背景10.920.710.480.810.87
    黑色背景20.960.770.520.890.93
    黑色背景30.870.530.430.610.82
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    表  7  不同数据集下几何质心-灰度加权质心平均一致性误差

    Table  7.   Geometric centroid-intensity-weighted centroid average consistency error across different datasets

    实验数据集文中算法GMMTTAOTSUGMM-OTSU
    绿色海水10.0032200.71612.2091.2980.1639
    绿色海水20.012200.81621.6111.1580.1454
    绿色海水30.0084620.62571.52321.3570.1432
    蓝色海水10.08990.41180.42220.39730.1253
    蓝色海水20.12340.29620.45180.40150.1535
    蓝色海水30.06530.50690.58010.44820.1637
    黑色背景10.00520.64200.93840.36440.0676
    黑色背景20.02590.55531.28360.23680.0619
    黑色背景30.02330.66600.79330.23620.0832
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出版历程
  • 收稿日期:  2026-06-12
  • 修回日期:  2026-07-11
  • 录用日期:  2026-07-28
  • 网络出版日期:  2026-11-11
图(12) / 表(7)

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