CIIS 2019 演講實錄丨汪增福：面向核環境的視覺信息採集與處理技術_風聞

10月26日-27日，由陝西省委網信辦、陝西省工業和信息化廳、陝西省科學技術廳指導，中國人工智能學會主辦，西安市委網信辦、西安市科學技術局、西安國家民用航天產業基地管理委員會、京東雲共同承辦的2019第九屆中國智能產業高峯論壇在“硬科技之都”--西安舉辦。在27日生物信息與智慧健康專題論壇上CAAI 生物信息學與人工生命專委會副主任、中國科學院合肥物質科學研究院合肥智能機械研究所研究員、中國科學技術大學教授汪增福為我們帶來了題為“面向核環境的視覺信息採集與處理技術”的精彩演講。

汪增福

CAAI 生物信息學與人工生命專委會副主任、中國科學院合肥物質科學研究院合肥智能機械研究所研究員、中國科學技術大學教授

以下是汪增福的演講實錄：   

今天在這裏我把我們所做的核環境下場景視覺信息的採集與處理工作給大家做一個交流。

我的報告分五個部分。首先是一個簡單的綜述。我們國家是一個能源消費大國，實際上能源問題是一個非常大的問題，目前使用的能源大多數是化石燃料，隨着化石燃料的消耗殆盡，必須要尋求新的能源，尋求更加穩定清潔安全可持續供給的，能源是當務之急，新能源裏面核能是非常重要的部分，目前為止有很多關於核能的研究，其中有一個就是核聚變。那麼核聚變是什麼樣的一個東西呢？請大家看圖。這個圖片展示了核聚變艙內部的具體情況。能量粒子在裏面運動，需要磁場將其約束起來，還需要瓦片把聚變艙很好地保護起來，使得它能夠正常運行。為了實現上述目標，我們需要對聚變艙內部進行觀測，檢查瓦片是不是掉下來了，是不是破損了，等等。實際上核聚變艙的內部環境是一個高温環境，最高温度達到200多度。此外，它還是一個真空環境，還是一個存在核輻射的受污染環境。在這樣的環境底下怎麼樣去完成觀測、檢查、拆卸、裝配、回收和修復等任務，這是對我們系統提出的一個要求。為此我們希望能夠研究出來這樣的一個裝置，第一，它本身能在核輻射環境下完成場景觀測的功能，第二，它能在核輻射環境下完成對場景的圖像採集和處理，發現裏面的環境是不是正常的，瓦片有沒有掉下來，有沒有破損，等等。這裏面的功能指標，首先是能夠在輻射環境下成像，第二是能夠完成對場景的三維重建，第三是進一步完成對異常事件的圖像檢測，第四是遙操縱。這裏期望的環境指標如下所示，總的輻照劑量1.0×104Gy。在這麼一個需求底下，我們這個系統包括這麼幾個部分，首先有一個機械裝置，保證放置在機身前端的裝置進入到內部，第二有一個可以在核輻射下工作的成像裝置，此外，為了在熱環境下很好地工作，需要進行熱控，相當於熱防護，當然我們還需要有一個場景三維建模與表示子系統。這幾個部分要在控制系統下的協調下進行工作。

為此我們研發了一個蛇形的遙操縱機械臂，因為聚變艙是環形的，我們的機械臂可以根據實際需求彎曲變形以進入到聚變艙內部的任意一個位置，實現全方位、無死角的觀測。這是我們最後形成的蛇形的機械臂，首先有一個小車，小車上面有一個平台，平台上搭建我們的機械臂，然後可以把這個東西送到核反應艙的窗口，我們可以把機械臂從窗口裏面伸進去，伸進去的目的是希望前端搭載的攝像機能夠進行觀測，觀測的圖像要通過這裏反饋回來，隨着機械臂的運動要能夠伸長，要收回來的時候，還要能夠纏繞起來，最後有一個可以收放光纖相機。我們這個機器人總的臂長可以達到5米左右，是一個非常大的傢伙，一共有9節，我們通過9節單臂組合起來形成5米長的裝置，有這麼多的自由度，前端的相機有兩個方向的自由度，大概是這麼一個裝置。這個是我們開發完成的系統，底下是一個小車，上面是一個平台，平台上面是可以收攏的機械臂，後面是一個用來收放光纖束相機的絞盤。這個地方是一個光纖相機，它可以隨着機械臂的運行，伸長或者收攏，為了便於觀測光纖相機的前端有一個光源。為了驗證我們的系統，做了一個仿真的環境。仿真時我們的系統，通過窗口伸進去。這個是我們把機械臂伸到仿真的核反應艙以後工作的情況，光源打開以後採集圖像，然後圖像進行處理，等等，大致就是這麼一個情況。

下面具體談一下視覺採集。我們提出了一個抗輻射防輻射相結合的光纖束成像方案，光纖束前端用來成像，用通過很多根光纖絲傳到聚變艙的外面，外面不怕輻射，所以我們可以完成信號的採集任務。我們研發的光纖束相機，能夠承受105Gy量級的輻射。這是光纖束相機本身的形狀，這個相機可以放在這塊，纏繞在絞盤上面，這個是具體工作時候的一些情況。比如説這是光源，這是相機，隨着機械臂的運動可以自如的收放。我們用光纖束的相機成的像大概是這麼個情況。由於光纖絲跟光纖絲之間有一個包層，在成像裏面會形成一定的條紋，但是這個條紋是需要去掉的，為此我們研發了一個去除光纖束邊緣包層的算法。這裏面都是光纖絲跟光纖絲之間形成的干擾，我們首先把包層提取出來，然後我們再通過一個增強，就是非局部增強，這是處理前的，這是處理後的，包層的影響可以完全去除，最終形成比較清晰的成像。這個是局部的放大圖，這個是處理前的，這是處理後的，可以看到，包層的影響已經去掉了。這個是放大表示的圖像處理事例，這是處理前的，這是處理後的，很顯然可以把包層影響基本上去掉，這個是局部放大以後包層影響還是比較嚴重的，但是我們經過處理以後，包層影響全部去掉。如果把這條掃描線的情況，藍顏色的線是處理前的，紅色線是處理以後的變化，本來藍顏色裏面有小的起伏就是包層的影響，但是我可以把它去掉。為了驗證我們的相機可以工作在核輻射環境，我們做了核輻射實驗，這是在九院的核輻射廠做的實驗，可以發現我們這個相機確確實實可以抗輻射，輻射前採集圖像的情況，這是輻射10個小時以後的情況，完全沒有問題，而且這個是總的大致情況，整體清晰度沒有什麼變化。

除了相機採集圖像之外，我們還完成了核聚變艙的場景重建任務，完成了蛇形多關節機械臂的遙操縱任務和場景的高真實感虛擬表示任務。我們系統有這麼幾個部分組成，第一個控制枱，可以通過鍵盤控制，也可以通過手柄控制，另外我們有一個3D的顯示器，可以把這個場景通過三維圖像表達出來，這是軟件工作的界面。我們提出了一種結合圖像紋理特徵和核反應艙結構檢驗的三維重建方法，很好地解決了重複場景三維重建難題。

最後，做一個總結。我們採用抗輻射和防輻射的方式研製了一個光纖束成像裝置。輻射實驗結果表明，所研製的光纖束成像裝置可以承受總劑量達105Gy量級的輻射衝擊，完全可以勝任核環境下的圖像採集任務。針對光纖束成像裝置採集的圖像存在包層邊緣的問題，提出了基於圖像自相似信息的光纖包層邊緣去除算法和改進的非局部均值圖像增強算法，得到了高質量的光纖束成像效果。