一种遥控水下三维重建系统技术方案

一种遥控水下三维重建系统，包括框架，框架左右两侧各设横向推进器，顶部两侧各设纵向推进器，顶部耐压仓内设有水下摄像机，并配有两个光源，框架中部设有外挂光度立体拍照装置，包括一个转动轴，转动轴上固定有高清水下摄像机，外周安装一个多爪支架，爪架数不少于三个，高清水下摄像机还配有可调式激光器，多爪支架末端分别安装带角度调节机构的LED光源，且LED光源等间距分布在高清水下摄像机四周，所述高清水下摄像机与多爪支架随转动轴转至高清水下摄像机的光路水平或竖直后，通过螺栓对转动轴进行锁定。本实用新型专利技术可通过岸基遥控实现座底、悬浮两种工作状态下的水下目标三维重建，数据获取速率快，且可获取目标区域颜色信息。

A remote-controlled underwater three-dimensional reconstruction system

A remote-controlled underwater three-dimensional reconstruction system consists of a frame with transverse thrusters on both sides of the frame, longitudinal thrusters on both sides of the top, underwater cameras in the top pressure chamber, and two light sources. In the middle of the frame, an external photometric stereo camera is installed, including a rotating shaft, a high-definition underwater camera fixed on the rotating shaft, and a multi-claw bracket installed on the outside. The number of claw frames is not less than three. The high-definition underwater camera is also equipped with an adjustable laser. At the end of the multi-claw support, the LED light source with an angle adjusting mechanism is installed, and the LED light source is evenly spaced around the high-definition underwater camera. After the high-definition underwater camera and the multi-claw support rotate along the rotating axis to the optical path of the high-definition underwater camera horizontally or vertically, the rotating axis is carried out through bolts. Locking. The utility model can realize three-dimensional reconstruction of underwater target under two working conditions of base and suspension by shore-based remote control. The data acquisition speed is fast, and the color information of the target area can be obtained.

【技术实现步骤摘要】
一种遥控水下三维重建系统
本技术涉及一种可通过遥控方式进行水下目标定位与水下光度立体三维重建的装置及方法，属于水下视觉

技术介绍
水下三维成像技术是探索海洋的重要技术，可用于海底地形地貌探测、海底考古、海洋生物研究等领域。目前进行水下探测任务的装置主要依赖声纳，但是其存在探测精度低、返回数据无颜色信息等缺点，无法满足水下精确探测的要求。在此背景下，水下光学探测技术成为领域内的研究热点。水下环境复杂多变，会对水下光学成像产生不利影响，既包括水体对光线的吸收、散射带来的图像整体偏暗、模糊和色偏外，还包括装置推进器运行导致的水体流动带来的图像模糊。目前主流的水下光学成像装置可分为两大类：(1)第一类是通过可见光获取图像然后处理，如已授权的专利技术专利“基于结构光技术和光度立体技术的水下三维重建装置及方法”(专利号：ZL2015110298.1)和“水下高精度三维重建装置及方法”(专利申请号：201610183822.7)中涉及的装置。这类装置的优势在于获取数据的速率快，可获取颜色信息；其不足在于要求装置必须座底拍摄，即其可拍摄区域位于装置正下方；(2)第二类是通过获取的多帧激光图像，以扫描方式实现水下目标的三维重建，如加拿大2GROBOTICS公司的产品级水下激光扫描仪(涉及专利“Laserscannerassembly”，专利号：8542413)。这类装置的优势在于不要求装置必须座底，可以在悬浮状态下工作；其不足在于，单纯采用激光扫描方式获取数据速率慢，且无法获取颜色信息。
技术实现思路
本技术涉及一种可通过遥控方式进行水下目标定位与水下光度立体三维重建的装置及方法。装置融合了上述两类水下光学成像装置的优势，可实现座底、悬浮两种工作状态下的水下目标三维重建，数据获取速率快，且可获取目标区域颜色信息。方法为基于单线激光优化的水下光度立体算法，可得到高精度的三维重建结果。一种遥控水下三维重建系统，其特征在于包括一个框架，框架左右两侧各设有一个横向推进器，框架的顶部左右两侧各设有一个纵向推进器，框架顶部有一个耐压仓，该耐压仓内部设有一个水下摄像机，该水下摄像机配有两个光源，在框架内的中部设有一个外挂光度立体拍照装置，外挂光度立体拍照装置包括一个转动轴以及用于锁定转动轴的螺栓，转动轴上固定有一个高清水下摄像机，高清水下摄像机外周安装一个多爪支架，多爪支架的爪架数不少于三个，且高清水下摄像机位于多爪支架的中心，该高清水下摄像机还配有一个可调式激光器，多爪支架的末端分别安装一个带角度调节机构的LED光源，且LED光源等间距分布在高清水下摄像机四周，所述高清水下摄像机与多爪支架随转动轴转至高清水下摄像机的光路水平或竖直后，通过螺栓对转动轴进行锁定。所述激光器的光线图案为一字型图案。该框架由PP材料制成，框架上还附有浮力材料。激光器是一个可根据实际需要改变位置和角度的绿激光器(波长532nm)。该耐压仓外部的壳体由亚克力材料制成。框架的底部设有多个可手动锁止的滚轮5。耐压仓内部包含220V转24V、220V转12V、220V转5V三种变压器，用于给推进器、光源、LED光源、激光器以及控制电路供电。本技术的有益效果为：本技术针对现有的水下光度立体装置只能实现座底观测的缺点，以及现有的水下激光扫描装置获取数据速率慢且无颜色信息的缺点，融合了上述两类水下光学成像装置的优势，可通过岸基遥控实现座底、悬浮两种工作状态下的水下目标三维重建，数据获取速率快，且可获取目标区域颜色信息。附图说明图1为本技术的正视示意图(光度立体拍照装置前视)；图2为本技术的左视示意图(光度立体拍照装置前视)；图3为本技术的俯视示意图(光度立体拍照装置前视)；图4为本技术的正视示意图(光度立体拍照装置俯视)；图5为本技术的左视示意图(光度立体拍照装置俯视)；图6为本技术的俯视示意图(光度立体拍照装置俯视)；图7为本技术中外挂光度立体拍照装置的结构示意图；图8为本技术中外挂光度立体拍照装置的光路示意图，其中虚线为高清水下摄像机的光轴，实线箭头表示6个LED光源的光照方向，虚线箭头表示激光器发出的激光的方向。其中，1、框架，2、横向推进器，3、光源，4、水下摄像机，5、滚轮，6、纵向推进器，7、耐压仓，8、LED光源，9、高清水下摄像机，10、激光器，11、转动轴，12、螺丝孔，13、角度调节机构，14、多爪支架，15、外挂光度立体拍照装置。具体实施方式如图1-8，一种遥控水下三维重建系统，其特征在于包括一个框架1，框架1左右两侧各设有一个横向推进器2，框架1的顶部左右两侧各设有一个纵向推进器6，通过基于树莓派和pixhawk的飞控系统，实现装置在深度不大于50米的水域进行四自由度移动(包含上下移动、前后移动、左右转向和翻转)、悬浮或座底；框架1顶部有一个耐压仓7，该耐压仓7内部设有一个水下摄像机4，该水下摄像机4配有两个光源3，水下摄像机4配合框架1顶部前端两侧位置的光源3，可获取装置前方实时视野；在框架1内的中部设有一个外挂光度立体拍照装置15，外挂光度立体拍照装置15包括一个转动轴11以及用于锁定转动轴11的螺栓，转动轴11上固定有一个高清水下摄像机9，高清水下摄像机9外周安装一个多爪支架14，多爪支架14的爪架数不少于三个，且高清水下摄像机9位于多爪支架14的中心，该高清水下摄像机9还配有一个可调式激光器10，多爪支架14的末端分别安装一个带角度调节机构13的LED光源8，且LED光源8等间距分布在高清水下摄像机9四周，所述高清水下摄像机9与多爪支架14随转动轴11转至高清水下摄像机9的光路水平或竖直后，通过螺栓对转动轴11进行锁定；图中，通过在转动轴11附件设置螺丝孔12，从而通过向螺丝孔12插入螺栓对转动轴11进行锁定，实现装置前视与俯视两种拍摄状态的转换与固定。附图中，外挂光度立体拍照装置15配以呈碗口型的六爪支架，位于支架中心位置的一个高清水下摄像机，和位于六爪支架端点位置的、投影间隔60度(光度立体算法中的Tilt角)、可根据实际需要通过角度调节机构调整其与高清水下摄像机之间的角度(光度立体算法中的Slant角)的六个白光LED光源。所述激光器10的光线图案为一字型图案。该框架1由PP材料制成，框架1上还附有浮力材料。激光器10是一个可根据实际需要改变位置和角度的绿激光器(波长532nm)。该耐压仓7外部的壳体由亚克力材料制成。框架1的底部设有多个可手动锁止的滚轮5。耐压仓7内部包含220V转24V、220V转12V、220V转5V三种变压器，用于给推进器、光源、LED光源、激光器以及控制电路供电。本技术的具体操作流程为：(1)通过滚轮5将装置运送至工作地点；(2)根据拍照需求选择前视或俯视工作方式，通过转动轴11调整外挂光度立体拍照装置15的状态，并通过螺栓将其固定；(3)通过角度调节机构13，调整LED光源8与高清水下摄像机9之间的夹角；(4)根据拍照需求确定激光器10的位置和角度，并固定；(5)标定高清水下摄像机9的内参数和激光器10发出的激光平面的参数；(6)装置入水；(7)打开耐压仓7中的水下摄像机4和光源3，获取装置前方的实时视野；(8)通过岸基遥控横向推进器2和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种遥控水下三维重建系统，其特征在于包括一个框架（1），框架（1）左右两侧各设有一个横向推进器（2），框架（1）的顶部左右两侧各设有一个纵向推进器（6），框架（1）顶部有一个耐压仓（7），该耐压仓（7）内部设有一个水下摄像机（4），该水下摄像机（4）配有两个光源（3），在框架（1）内的中部设有一个外挂光度立体拍照装置（15），外挂光度立体拍照装置（15）包括一个转动轴（11）以及用于锁定转动轴（11）的螺栓，转动轴（11）上固定有一个高清水下摄像机（9），高清水下摄像机（9）外周安装一个多爪支架（14），多爪支架（14）的爪架数不少于三个，且高清水下摄像机（9）位于多爪支架（14）的中心，该高清水下摄像机（9）还配有一个可调式激光器（10），多爪支架（14）的末端分别安装一个带角度调节机构（13）的LED光源（8），且LED光源（8）等间距分布在高清水下摄像机（9）四周，所述高清水下摄像机（9）与多爪支架（14）随转动轴（11）转至高清水下摄像机（9）的光路水平或竖直后，通过螺栓对转动轴（11）进行锁定。

【技术特征摘要】
1.一种遥控水下三维重建系统，其特征在于包括一个框架（1），框架（1）左右两侧各设有一个横向推进器（2），框架（1）的顶部左右两侧各设有一个纵向推进器（6），框架（1）顶部有一个耐压仓（7），该耐压仓（7）内部设有一个水下摄像机（4），该水下摄像机（4）配有两个光源（3），在框架（1）内的中部设有一个外挂光度立体拍照装置（15），外挂光度立体拍照装置（15）包括一个转动轴（11）以及用于锁定转动轴（11）的螺栓，转动轴（11）上固定有一个高清水下摄像机（9），高清水下摄像机（9）外周安装一个多爪支架（14），多爪支架（14）的爪架数不少于三个，且高清水下摄像机（9）位于多爪支架（14）的中心，该高清水下摄像机（9）还配有一个可调式激光器（10），多爪支架（14）的末端分别安装一个带角度调节机构（13）的LED光源（8），且LED光源（8）等间距分布在高清水下摄像机（9）四周，所述高清水下摄像机（9）与多爪...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢亮，陈怡君，董军宇，
申请(专利权)人：中国海洋大学，青岛镇兴翔电子工程有限公司，
类型：新型
国别省市：山东,37