自主式水下运载器-机械手系统(Autonomous Underwater Vehicle-Manipulator System,AUVMS)是一种无人无缆自主地进行海洋环境作业的装备。及时准确地获取水下目标物信息是AUVMS自主完成水下作业任务的前提。水下目标物信息获取主要有声视觉和光视觉两种方式,相对于声视觉,光视觉在水下近距离作业中具有更高分辨率,是目前AUVMS作业主要信息获取方式。本文以光视觉为基础,研究水下目标图像处理与定位技术,这对于提高AUVMS的自主作业能力具有重要的研究意义和实用价值。本文以AUVMS自主完成水下作业任务为背景,研究基于双目视觉的水下目标图像处理与定位技术,主要包括图像降噪、图像分割和目标定位方法,在这些方法研究的基础上,研制一套基于非平行双目的水下目标定位系统,该系统旨在准确、稳定且快速地获取AUVMS所需的目标信息,配合课题组研制的AUVMS完成真实的水下自主作业任务。本文的主要研究内容概述如下:(1)研究水下图像降噪方法。典型空间域和变换域的图像降噪方法处理水下图像时,受多种噪声叠加的干扰,降噪结果中存在图像模糊加重、甚至大量图像信息消除等问题。针对此问题,本文提出一种基于陷波滤波和双边滤波的水下图像降噪方法,该方法通过结合陷波滤波、中值滤波和双边滤波方法,以实现对不同图像噪声的降噪处理。不同于典型的高斯滤波和中值滤波方法中采用固定窗口进行降噪的思路,本文方法通过判断邻域内像素值特征来改变滤波窗口的大小,并且增加相似性判断函数来提高降噪效果;不同于小波方法对分布较一致的小波系数进行置零处理的思路,本文方法中通过估计邻域的方差来确定权值函数,以提取噪声的主频率分量,来降低图像噪声。通过水下图像降噪对比实验验证本文降噪方法的有效性。(2)研究水下图像分割方法。为满足AUVMS自主作业对图像处理的要求,本文采用耗时较少的典型阈值分割方法和灰度化方法(NTSC方法和ELSSP方法)处理水下图像时,受灰度图像中部分目标区域与背景区域间的对比度较低等因素影响,分割结果中存在的目标与背景粘连、目标分割不完整、分割耗时较长等问题。针对此问题,本文提出一种基于RGB通道融合的水下彩色图像分割方法,该方法以NTSC方法为基础,利用RGB三通道间局部对比度的差异性,来动态调整RGB彩色通道融合的对应权值,以增强灰度图像中目标与背景间的对比度,进而便于典型阈值方法快速准确地分割出目标物。不同于NTSC方法中固定融合权值及ELSSP方法中未考虑像素坐标的处理思路,本文方法利用RGB三通道间局部对比度的差异性,来实现融合权值的动态调整,并且综合分析像素值和像素坐标,以获得更准确的局部对比度信息。通过多组水下图像分割对比实验验证本文分割方法的有效性。(3)研究水下目标定位方法。综合考虑多种摄像机畸变类型,建立不同摄像机模型,并改进张正友方法,以完成本文不同摄像机模型的参数标定,并且通过对模型性能进行测试,以确定最适合本文所用的两个摄像机的摄像机模型。由于本文两个摄像机的性能参数、拍摄角度和拍摄距离存在差异,导致两幅图像中对应区域的像素值差别较大且难以获得多组匹配点对,进而导致典型的区域匹配和特征匹配方法均难以适用于本文环境的问题。针对此问题,本文双目立体匹配方法中仅匹配两幅图像中目标像的中心点,一方面避免了错误匹配,另一方面降低了算法耗时。由于本文AUVMS自主作业过程中,两个摄像机间相对位置不断发生变化,导致出现目标物脱离视场和反复进出视场的情况,进而导致双目方法难以获得稳定的目标三维位置数据的问题。针对此问题,本文提出一种双目与单目相结合的水下目标定位方法,该方法在利用双目定位数据得到目标尺寸信息的基础上,进行单目定位,以获得稳定的目标位置测量数据。通过水下多组对比实验验证本文定位方法的有效性。(4)研制基于非平行双目的水下目标定位系统。在本文降噪、分割和定位方法研究基础上,研制一套基于非平行双目的水下目标定位系统,用于配合课题组AUVMS完成真实水下自主作业任务。在定位系统配合AUVMS进行自主作业实验研究中,本文分割方法在处理实际作业图像时,粗分割处理受作业图像中H和I通道中目标与背景分离性较差特点的影响,导致部分图像的分割结果中存在目标与背景粘连、目标分割不完整等问题,针对此问题,对本文分割方法进行改进,并通过水下分割实验验证改进方法的有效性。本文定位方法应用于实际作业环境时,由于AUVMS机械结构及双目结构的特殊性,导致难以安装高精度标定板,使得采用典型靶标方法获得高精度在线变焦标定结果和外参标定结果等问题,本文提出一种离线与在线相结合的定位系统标定方法,该方法包括两部分:离线变焦标定方法和离线与在线结合外参标定方法,变焦标定方法在多次试验确定变焦次数和变焦程度的基础上,通过离线标定得到所需的变焦标定数据,并确定摄像机进行变焦的具体时刻;外参标定方法利用安装在机械手关节处的传感器输出的关节角度信息,来获得在线外参数据,通过水下实验验证标定方法的有效性。最后,通过AUVMS水下自主作业实验系统地验证本文定位系统及本文降噪、分割和定位方法的有效性。