基于光场多层折射模型的水下三维重建装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术提出了一种基于光场多层折射模型的水下三维重建装置和方法，属于计算机视觉研究领域，典型的应用是水下中高精度三维重建。本装置标定采用光场多层折射模型进行双目立体视觉标定。激光条纹中心点对应性算法采用基于光场多层折射模型的水下激光条纹匹配算法，根据对应点计算三维点采用光场多层折射模型下的奇异值分解方法。整个系统装置由两个高速相机封装仓和激光扫描计算单元封装仓组成，封装仓采用耐高压设计，高速相机封装仓和激光扫描系统及计算单元封装仓之间采用耐高压管连接，耐高压管内有连接相机和计算单元的高速USB3.0连接线。高速相机封装仓对称分布于装置两端，激光扫描计算单元封装仓在装置中间。本发明专利技术可应用于深水区域的高精度三维重建，最深深度可达到水下4000米。

【技术实现步骤摘要】
基于光场多层折射模型的水下三维重建装置和方法
本专利技术属于水下计算机视觉研究领域，涉及一种基于光场多层折射模型的水下三维重建装置和方法，可实现水下四千米三维高精度重建测量。
技术介绍
水下三维重建技术是探索深水湖泊和海洋的重要技术手段，可用于水下地形扫描探测、海底考古、水下慢移动生物的体型数据获取。目前，主要以声呐为主要探测技术，但是该方法精度较低，不能满足水下精确探测的需求。林俊义等人在其论文“一种基于双目立体视觉的激光线扫描技术[J].机械设计与制造,2011(8):200-202.”提出一种基于极限约束方法进行三维重建的方法。它使用传统的相机模型来描述水下折射环境，用畸变参数来矫正折射所带来的偏差。但该方法并不准确，并且在不同水域都需要进行视场范围内的标定，标定过程中相机和标定板之间不可以有移动，在水下中实际操作性较低。中国专利CN201410195345.7提出了一种基于线结构光的水下目标三维重建方法。该方法利用单相机和线结构光组合的方法进行三维重建，利用在水下不同深度获得的标校数据对获得图像中的激光条纹中心进行矫正位置，以消除折射带来的影响。虽然该方法相较于传统小孔成像模型精度高，但该方法在不同深度的水中都需要用标定板进行标校，并且标校过程中需要在视场不同深度内拍摄标校图片，在水下实现比较困难，并且在深水中还要考虑标定板的抗压变形能力，现实操作性比较低。
技术实现思路
本专利技术为解决上述问题，提出一种基于光场多层折射模型的水下三维重建装置和方法。可实现水下高精度激光3D扫描和三维重建。本专利技术采用基于光场的多层折射模型进行标定、匹配激光条纹中心和计算三维点，确定拍摄水域折射率仅需在视场内拍摄一次靶标即可，其它参数在进入拍摄水域前均已确定。整个装置采用水下4000米耐高压封装设计。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：包括两个高速相机封装仓和一个激光扫描系统及计算单元封装仓，其特征在于所述两个高速相机封装仓对称安装一个耐高压连接管的两端，激光扫描系统及计算单元封装仓安装于其中间；激光扫描系统包括一个金属摆镜和一个激光器，摆动时可使激光器发射的线激光在相机视场内扫描；由于水下没有可以满足USB3.0传输速率的水密接插件，因此采用内部连线方式可保证传输速率，并且减少了连接件的数量，提高了系统稳定性。一种基于光场多层折射模型的水下三维重建方法，采用上述方式进行操作，其特征在于操作步骤如下：步骤a：在空气中对左右相机分别进行单相机标定，获得单相机的内参数相机矩阵cameraMatrixL、cameraMatrixR和畸变distortionL、distortionR。步骤b：使用中国专利CN201710702222.1中的基于多层折射模型的水下立体视觉系统标定方法在水池内对相机进行标定，获得两个相机的折射参数(nL，dL，miuL)、(nR，dR，miuR)和立体外参数tl_r，Rl_r。步骤c：在测定海域拍摄一组有靶标的清晰图片，测定拍摄海域海水折射率μ。步骤d：对相机视场内的物体进行扫描拍摄，获得一系列有激光条纹的图片组。步骤e：对获得的图片组进行激光条纹中心提取，并用基于光场多层折射模型的激光条纹匹配方法进行激光条纹点匹配和计算空间三维点。所述步骤b中使用光场多层折射模型在水下对相机进行标定，包括以下步骤：步骤(b-1)：拍摄水池中的棋盘格标定板。在1m—2m之间任意选定8个位置拍摄图片，图片在两个相机视场中大致位于中间位置，标定板倾斜角度不可太大，要保证拍得的图片角点清晰。步骤(b-2)：使用Harris角点检测法提取拍摄到的棋盘格图片角点，使用预先标定的单相机标定参数cameraMatrixL、cameraMatrixR、distrotionL、distortionR对角点坐标去除畸变。步骤(b-3)：选择待标定参数的初始数值，取法线初值n＝[001]和水的折射率初值miu＝[11.51.33]，迭代计算出两个相机的折射参数(nL，dL，miuL)、(nR，dR，miuR)和外参数Rl_r，tl_r。所述步骤c中测定拍摄海域海水折射率μ步骤如下：步骤(c-1)：在左右相机拍得的有清晰靶标的图片上，可提取得到相对应的一组相点，左相点ml，右相点mr。步骤(c-2)：根据光场表示方法，经过多层界面传播和折射后可得到在玻璃界面用矢量、点ql和qr表示的光线。步骤(c-3)：将右相机坐标系下矢量和点转换到左相机坐标系：qr'＝Rl_r×qr+tl_r，对于右多层折射坐标系的z轴同理可得：zr'＝Rl_r×zr，or'＝tl_r。步骤(c-4)：求左右相机约束平面πl、πr，左相机约束平面可表示为：平面法线平面上一点ol＝[000]；右相机约束平面可表示为：平面法线平面上一点or'＝tl_r。步骤(c-5)：两个约束平面相交于一条直线，有折射定律可知，P点在该直线上，满足如下约束：nl·P＝0,nr·(P-or')步骤(c-6)：P点与入射光线点构成的折射光线，满足折射定律，采用二分法确定最后一层介质折射率μ。左右相机相点对应的光线在最后一层介质折射后的光线相交于一点，并且该点在步骤⑤所述的直线上。预估海水的折射率位于1.3至1.5之间，采用二分法逐步缩小海水折射率区间，直至区间缩小至0.00005。取折射率区间内某一折射率μi，此时左右相点在界面交线上对应的点分别为Pi_l，Pi_r，定义dis＝Pi_lPi_r(两点之间的距离)，当Pi_r在Pi_l的上方时，dis为正，反之为负。当dis为0时，其对应的μ即为海水的折射率。所述步骤d中对获得的激光条纹中心计算空间三维点，包括以下步骤:步骤(d-1)：根据空气、水池内标定获得的参数信息，对激光条纹中心点计算其在相机坐标系下的方向信息。步骤(d-2)：在初始时，相机坐标系下光线初始点为(0,0)，将该相机坐标系下的初始光线信息转换到对应的多层折射成像坐标系。步骤(d-3)：将多层折射成像坐标系内的点矢信息转换成光场表达形式，并根据在水池中标定的dL，dR、miuL，miuR和在水下测量区域标定的折射率μ计算光线传播到最后一层界面的光场，再将光场形式转换成点矢表达方式ql和qr。步骤(d-4)：将右多层折射坐标系内的点和方向信息转换到左多层折射坐标系中，以左边的点矢信息为基准，用搜索法在右点矢中找混合积过零点，并线性插值计算右激光条纹对应点。步骤(d-5)：对右激光条纹对应点计算其在左多层折射成像坐标系内的最后一层界面的点矢，根据对应点矢用奇异值分解法计算空间三维点，并显示获得的点云。由于采用了上述解决方案，本专利技术具有如下显而易见的突出实质性特点和显著的技术进步：1、标定精度高，采用基于多层折射模型的水下立体视觉系统标定方法对相机进行标定，比传统的小孔成像模型标定精度要高很多，不存在系统误差。2、操作方便，不需在水下进行相机视场内的多位置标定，只需在测定水域拍摄一次靶标确定测定水域折射率即可。3、点云重建精度高，由于标定模型不存在系统误差，在激光条纹匹配和重建三维点时都采用光场多层折射模型描述光线，可使点云精度较高，误差控制在3mm以内。4、整个装置布局紧凑，高速相机和计算单元的连接采用钛合金密封装置内部走线，稳定性、可靠性更高。附图说明图1为本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光场多层折射模型的水下三维重建装置，包括两个高速相机封装仓(1，2)和一个激光扫描系统及计算单元封装仓(3)，其特征在于所述两个高速相机封装仓(1，2)对称安装一个耐高压连接管(4)的两端，激光扫描系统及计算单元封装仓(3)安装于其中间；激光扫描系统包括一个金属摆镜(6)和一个激光器(5)，摆动时可使激光器(5)发射的线激光在相机视场内扫描；由于水下没有可以满足USB3.0传输速率的水密接插件，因此采用内部连线方式可保证传输速率，并且减少了连接件的数量，提高了系统稳定性。

【技术特征摘要】
1.一种基于光场多层折射模型的水下三维重建装置，包括两个高速相机封装仓(1，2)和一个激光扫描系统及计算单元封装仓(3)，其特征在于所述两个高速相机封装仓(1，2)对称安装一个耐高压连接管(4)的两端，激光扫描系统及计算单元封装仓(3)安装于其中间；激光扫描系统包括一个金属摆镜(6)和一个激光器(5)，摆动时可使激光器(5)发射的线激光在相机视场内扫描；由于水下没有可以满足USB3.0传输速率的水密接插件，因此采用内部连线方式可保证传输速率，并且减少了连接件的数量，提高了系统稳定性。2.一种基于光场多层折射模型的水下三维重建方法，采用根据权利要求1所述基于光场多层折射模型的水下三维重建装置进行操作，其特征在于操作步骤如下：步骤a：在空气中对左相机和右相机分别进行单相机标定，获得单相机的内参数相机矩阵cameraMatrixL、cameraMatrixR和畸变distortionL、distortionR；步骤b：采用中国专利CN201710702222.1中的“基于多层折射模型的水下立体视觉系统标定方法”在水池内对相机进行标定，获得两个相机的折射参数(nL，dL，miuL)、(nR，dR，miuR)和立体外参数tl_r，Rl_r；步骤c：在测定海域拍摄一组有靶标的清晰图片，测定拍摄海域海水折射率μ；步骤d：对相机视场内的物体进行扫描拍摄，获得一系列有激光条纹的图片组；步骤e：对获得的图片组进行激光条纹中心提取，并基于多层折射模型进行激光光条三维点的计算。3.根据权利要求2所述的基于光场多层折射模型的水下三维重建方法，其特征在于，所述步骤b中的相机标定，包括以下步骤：步骤(b-1)：拍摄水池中的棋盘格标定板，在1m—2m之间任意选定8个位置拍摄图片，图片在两个相机视场中大致位于中间位置，标定板倾斜角度不可太大，要保证拍得的图片角点清晰；步骤(b-2)：使用Harris角点检测法提取拍摄到的棋盘格图片角点，使用预先标定的单相机标定参数cameraMatrixL、cameraMatrixR、distrotionL、distortionR对角点坐标去除畸变；步骤(b-3)：选择待标定参数的初值，取法线初值n＝[001]和折射率初值miu＝[11.51.33]，迭代计算出两个相机的折射参数(nL，dL，miuL)、(nR，dR，miuR)和外参数Rl_r，tl_r。4.根据权利要求2所述的基于光场多层折射模型的水下三维重建方法，其特征在于：所述步骤c中测定拍摄海域海水折射率μ，包括以下步骤：步...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旭，李锦波，何平平，屠大维，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31