CIIS 2019 演讲实录丨汪增福：面向核环境的视觉信息采集与处理技术_风闻

10月26日-27日，由陕西省委网信办、陕西省工业和信息化厅、陕西省科学技术厅指导，中国人工智能学会主办，西安市委网信办、西安市科学技术局、西安国家民用航天产业基地管理委员会、京东云共同承办的2019第九届中国智能产业高峰论坛在“硬科技之都”--西安举办。在27日生物信息与智慧健康专题论坛上CAAI 生物信息学与人工生命专委会副主任、中国科学院合肥物质科学研究院合肥智能机械研究所研究员、中国科学技术大学教授汪增福为我们带来了题为“面向核环境的视觉信息采集与处理技术”的精彩演讲。

汪增福

CAAI 生物信息学与人工生命专委会副主任、中国科学院合肥物质科学研究院合肥智能机械研究所研究员、中国科学技术大学教授

以下是汪增福的演讲实录：   

今天在这里我把我们所做的核环境下场景视觉信息的采集与处理工作给大家做一个交流。

我的报告分五个部分。首先是一个简单的综述。我们国家是一个能源消费大国，实际上能源问题是一个非常大的问题，目前使用的能源大多数是化石燃料，随着化石燃料的消耗殆尽，必须要寻求新的能源，寻求更加稳定清洁安全可持续供给的，能源是当务之急，新能源里面核能是非常重要的部分，目前为止有很多关于核能的研究，其中有一个就是核聚变。那么核聚变是什么样的一个东西呢？请大家看图。这个图片展示了核聚变舱内部的具体情况。能量粒子在里面运动，需要磁场将其约束起来，还需要瓦片把聚变舱很好地保护起来，使得它能够正常运行。为了实现上述目标，我们需要对聚变舱内部进行观测，检查瓦片是不是掉下来了，是不是破损了，等等。实际上核聚变舱的内部环境是一个高温环境，最高温度达到200多度。此外，它还是一个真空环境，还是一个存在核辐射的受污染环境。在这样的环境底下怎么样去完成观测、检查、拆卸、装配、回收和修复等任务，这是对我们系统提出的一个要求。为此我们希望能够研究出来这样的一个装置，第一，它本身能在核辐射环境下完成场景观测的功能，第二，它能在核辐射环境下完成对场景的图像采集和处理，发现里面的环境是不是正常的，瓦片有没有掉下来，有没有破损，等等。这里面的功能指标，首先是能够在辐射环境下成像，第二是能够完成对场景的三维重建，第三是进一步完成对异常事件的图像检测，第四是遥操纵。这里期望的环境指标如下所示，总的辐照剂量1.0×104Gy。在这么一个需求底下，我们这个系统包括这么几个部分，首先有一个机械装置，保证放置在机身前端的装置进入到内部，第二有一个可以在核辐射下工作的成像装置，此外，为了在热环境下很好地工作，需要进行热控，相当于热防护，当然我们还需要有一个场景三维建模与表示子系统。这几个部分要在控制系统下的协调下进行工作。

为此我们研发了一个蛇形的遥操纵机械臂，因为聚变舱是环形的，我们的机械臂可以根据实际需求弯曲变形以进入到聚变舱内部的任意一个位置，实现全方位、无死角的观测。这是我们最后形成的蛇形的机械臂，首先有一个小车，小车上面有一个平台，平台上搭建我们的机械臂，然后可以把这个东西送到核反应舱的窗口，我们可以把机械臂从窗口里面伸进去，伸进去的目的是希望前端搭载的摄像机能够进行观测，观测的图像要通过这里反馈回来，随着机械臂的运动要能够伸长，要收回来的时候，还要能够缠绕起来，最后有一个可以收放光纤相机。我们这个机器人总的臂长可以达到5米左右，是一个非常大的家伙，一共有9节，我们通过9节单臂组合起来形成5米长的装置，有这么多的自由度，前端的相机有两个方向的自由度，大概是这么一个装置。这个是我们开发完成的系统，底下是一个小车，上面是一个平台，平台上面是可以收拢的机械臂，后面是一个用来收放光纤束相机的绞盘。这个地方是一个光纤相机，它可以随着机械臂的运行，伸长或者收拢，为了便于观测光纤相机的前端有一个光源。为了验证我们的系统，做了一个仿真的环境。仿真时我们的系统，通过窗口伸进去。这个是我们把机械臂伸到仿真的核反应舱以后工作的情况，光源打开以后采集图像，然后图像进行处理，等等，大致就是这么一个情况。

下面具体谈一下视觉采集。我们提出了一个抗辐射防辐射相结合的光纤束成像方案，光纤束前端用来成像，用通过很多根光纤丝传到聚变舱的外面，外面不怕辐射，所以我们可以完成信号的采集任务。我们研发的光纤束相机，能够承受105Gy量级的辐射。这是光纤束相机本身的形状，这个相机可以放在这块，缠绕在绞盘上面，这个是具体工作时候的一些情况。比如说这是光源，这是相机，随着机械臂的运动可以自如的收放。我们用光纤束的相机成的像大概是这么个情况。由于光纤丝跟光纤丝之间有一个包层，在成像里面会形成一定的条纹，但是这个条纹是需要去掉的，为此我们研发了一个去除光纤束边缘包层的算法。这里面都是光纤丝跟光纤丝之间形成的干扰，我们首先把包层提取出来，然后我们再通过一个增强，就是非局部增强，这是处理前的，这是处理后的，包层的影响可以完全去除，最终形成比较清晰的成像。这个是局部的放大图，这个是处理前的，这是处理后的，可以看到，包层的影响已经去掉了。这个是放大表示的图像处理事例，这是处理前的，这是处理后的，很显然可以把包层影响基本上去掉，这个是局部放大以后包层影响还是比较严重的，但是我们经过处理以后，包层影响全部去掉。如果把这条扫描线的情况，蓝颜色的线是处理前的，红色线是处理以后的变化，本来蓝颜色里面有小的起伏就是包层的影响，但是我可以把它去掉。为了验证我们的相机可以工作在核辐射环境，我们做了核辐射实验，这是在九院的核辐射厂做的实验，可以发现我们这个相机确确实实可以抗辐射，辐射前采集图像的情况，这是辐射10个小时以后的情况，完全没有问题，而且这个是总的大致情况，整体清晰度没有什么变化。

除了相机采集图像之外，我们还完成了核聚变舱的场景重建任务，完成了蛇形多关节机械臂的遥操纵任务和场景的高真实感虚拟表示任务。我们系统有这么几个部分组成，第一个控制台，可以通过键盘控制，也可以通过手柄控制，另外我们有一个3D的显示器，可以把这个场景通过三维图像表达出来，这是软件工作的界面。我们提出了一种结合图像纹理特征和核反应舱结构检验的三维重建方法，很好地解决了重复场景三维重建难题。

最后，做一个总结。我们采用抗辐射和防辐射的方式研制了一个光纤束成像装置。辐射实验结果表明，所研制的光纤束成像装置可以承受总剂量达105Gy量级的辐射冲击，完全可以胜任核环境下的图像采集任务。针对光纤束成像装置采集的图像存在包层边缘的问题，提出了基于图像自相似信息的光纤包层边缘去除算法和改进的非局部均值图像增强算法，得到了高质量的光纤束成像效果。