一种水下三维重建系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种水下三维重建系统和方法，涉及水下探测领域。该系统包括：设置在水下的嵌入式处理平台、设置在水下的双目相机和设置在水上的工控机；所述双目相机用于采集水下图像，并发送给所述嵌入式处理平台；所述嵌入式处理平台用于对所述水下图像进行压缩编码，并将压缩编码后的所述水下图像发送给所述工控机；所述工控机用于解码所述水下图像，并进行立体图像处理，再根据立体图像处理后的所述水下图像进行三维重建。通过本方案的系统，实现较精细的水下场景三维重建大大提高了重建三维的分辨率，并在可视化上有巨大的优势。

An underwater 3D reconstruction system and method

【技术实现步骤摘要】
一种水下三维重建系统和方法
本专利技术涉及水下探测领域，尤其涉及一种水下三维重建系统和方法。
技术介绍
随着人们对海洋资源的进一步需求和开发，水下探测技术也迎来了快速发展。其中水下三维重建在水下监测、水下作业等领域有着广泛的需求。当前主流的水下三维重建技术，主要采用声呐成像技术，通过声音的反射来获得目标的距离，通过扫描和阵列等方式获得空间的距离信息，再将二维图像映射到三维空间，最终得到目标的三维模型。但由于声呐的空间分辨力较低，导致重建的三维模型效果不够理想，模型表面较粗糙，且丧失了表面的纹理信息，不便于模型的使用。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种水下三维重建系统和方法。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种水下三维重建系统，包括：设置在水下的嵌入式处理平台、设置在水下的双目相机和设置在水上的工控机；所述双目相机用于采集水下图像，并发送给所述嵌入式处理平台；所述嵌入式处理平台用于对所述水下图像进行压缩编码，并将压缩编码后的所述水下图像发送给所述工控机；所述工控机用于解码所述水下图像，并进行立体图像处理，再根据立体图像处理后的所述水下图像进行三维重建。本专利技术的有益效果是：本方案通过双目相机采集水下图像，嵌入式处理平台再对所述水下图像进行压缩编，并将压缩编码后的水下图像发送给所述工控机，工控机对水下图像解码、立体图像处理，再进行水下图像的三维重建，通过本方案的系统，实现较精细的水下场景三维重建，相比较现有技术的声呐成像的方案，大大提高了重建三维的分辨率，并在可视化上有巨大的优势，同时，实时三维重建可以直接看到三维重建的结果，使得操作人员能够实时评估重建效果，便于远程操作。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步地，所述工控机具体包括：校正模块、立体匹配模块和深度计算模块；所述校正模块用于根据所述双目相机标定后的两个摄像头参数对所述水下图像进行校正；所述立体匹配模块用于采用CUDA计算出校正后的所述水下图像的相匹配的包含特征点的视差图像；所述深度计算模块用于根据预设规则选取所述特征点，通过三角测量原理得到选取后的所述特征点的深度值，完成所述水下图像的立体图像处理。采用上述进一步方案的有益效果是：通过图像校正模块对双目相机标定后的两个摄像头参数对所述水下图像进行校正，便于实现快速立体匹配；立体匹配计算过程采用CUDA进行加速，为了提高系统的实时性和立体匹配过程中的运算量；在深度变化较大的区域选取较多的特征点，在深度变化较小的区域选取较少的特征点，提高了特征点提取的准确度，再通过三角测量原理可以得到特征点对应的深度值。进一步地，所述工控机还具体包括：图像增强模块和视差修复模块；所述图像增强模块用于根据水下图像成像的特点，采用同态滤波和直方图均衡化相结合的方法对校正后的所述水下图像进行图像增强；所述视差修复模块用于在深度计算之前对所述视差图像采用双线性插值和形态学平滑的方式对时差图像进行修复。采用上述进一步方案的有益效果是：通过图像增强模块，采用同态滤波和直方图均衡化相结合的方法，然后根据有约束最小二乘滤波算法，对采集的图像进行图像增强处理，实现去雾和解决光照不均的问题，减小了图像引起的模糊现象，且在在图像立体匹配之前加入针对水下图像成像特点的图像增强和恢复方法，提高立体匹配的准确率。进一步地，所述工控机具体还包括：三维映射模块、数据融合模块、三角剖分模块和纹理渲染模块；所述三维映射模块用于根据深度计算后的所述特征点的二维坐标和相机参数，将所述特征点映射到三维空间中，得到三维点云；所述数据融合模块用于根据所述水下图像的图像帧更新，三维点云对应更新，直至完成数据融合；所述三角剖分模块用于完成数据融合后采用基于局部的Delaunary网格边界构造方法对所述三维点云进行三角化剖分，将划分后的三维点集连接组成三角网络，得到所述水下图像的物体表面的拓扑结构信息；所述纹理渲染模块用于对所述三角网络进行贴图渲染，完成所述水下图像的三维重建。采用上述进一步方案的有益效果是：通过三维映射模块将各个特征点二维坐标映射到三维空间中，得到特征点对应的三维点云，实现了二维坐标映射出三维空间的图像；数据融合模块以第一帧图像成像时的坐标系为基准，后续的图像都变换到这个坐标系下，对重复的点云数据进行插值处理，将冗余的删除，实现了重复点云数据的剔除；三角剖分模块采用基于局部的Delaunay网格边界构造方法，将三维点集连接成三角网络，得到物体表面的拓扑结构信息，以便可视化贴图；纹理渲染模块通过OpenGL库，将三角形三个顶点对应的二维图像内部的纹理图片，映射到这个三角形区域上，以此实现对整个模型的纹理渲染，提高可视化效果。进一步地，所述工控机还包括具有CUDA核心、和计算能力在7.0以上的GPU。采用上述进一步方案的有益效果是：通过加入高性能GPU来加速运算，提高了整个系统的实时性，方便了人员操作。本专利技术解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种水下三维重建方法，包括：S1，采集水下图像，并发送给所述嵌入式处理平台；S2，对所述水下图像进行压缩编码，并将压缩编码后的所述水下图像发送给所述工控机；S3，解码所述水下图像，并进行立体图像处理，再根据立体图像处理后的所述水下图像进行三维重建。本专利技术的有益效果是：本方案通过双目相机采集水下图像，嵌入式处理平台再对所述水下图像进行压缩编，并将压缩编码后的水下图像发送给所述工控机，工控机对水下图像解码、立体图像处理，再进行水下图像的三维重建，通过本方案的系统，实现较精细的水下场景三维重建，相比较现有技术的声呐成像的方案，大大提高了重建三维的分辨率，并在可视化上有巨大的优势，同时，实时三维重建可以直接看到三维重建的结果，使得操作人员能够实时评估重建效果，便于远程操作。在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。进一步地，所述图像处理具体包括：根据所述双目相机标定后的两个摄像头参数对所述水下图像进行校正；采用CUDA计算出校正后的所述水下图像的相匹配的包含特征点的视差图像；根据预设规则选取所述特征点，通过三角测量原理得到选取后的所述特征点的深度值，完成所述水下图像的立体图像处理。采用上述进一步方案的有益效果是：通过图像校正模块对双目相机标定后的两个摄像头参数对所述水下图像进行校正，便于实现快速立体匹配；立体匹配计算过程采用CUDA进行加速，为了提高系统的实时性和立体匹配过程中的运算量；在深度变化较大的区域选取较多的特征点，在深度变化较小的区域选取较少的特征点，提高了特征点提取的准确度，再通过三角测量原理可以得到特征点对应的深度值。进一步地，所述图像处理还具体包括：根据水下图像成像的特点，采用同态滤波和直方图均衡化相结合的方法对校正后的所述水下图像进行图像增强；在深度计算之前对所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水下三维重建系统，其特征在于，包括：设置在水下的嵌入式处理平台、设置在水下的双目相机和设置在水上的工控机；/n所述双目相机用于采集水下图像，并发送给所述嵌入式处理平台；/n所述嵌入式处理平台用于对所述水下图像进行压缩编码，并将压缩编码后的所述水下图像发送给所述工控机；/n所述工控机用于解码所述水下图像，并进行立体图像处理，再根据立体图像处理后的所述水下图像进行三维重建。/n

【技术特征摘要】
1.一种水下三维重建系统，其特征在于，包括：设置在水下的嵌入式处理平台、设置在水下的双目相机和设置在水上的工控机；
所述双目相机用于采集水下图像，并发送给所述嵌入式处理平台；
所述嵌入式处理平台用于对所述水下图像进行压缩编码，并将压缩编码后的所述水下图像发送给所述工控机；
所述工控机用于解码所述水下图像，并进行立体图像处理，再根据立体图像处理后的所述水下图像进行三维重建。


2.根据权利要求1所述的一种水下三维重建系统，其特征在于，所述工控机具体包括：校正模块、立体匹配模块和深度计算模块；
所述校正模块用于根据所述双目相机标定后的两个摄像头参数对所述水下图像进行校正；
所述立体匹配模块用于采用CUDA计算出校正后的所述水下图像的相匹配的包含特征点的视差图像；
所述深度计算模块用于根据预设规则选取所述特征点，通过三角测量原理得到选取后的所述特征点的深度值，完成所述水下图像的立体图像处理。


3.根据权利要求2所述的一种水下三维重建系统，其特征在于，所述工控机还具体包括：图像增强模块和视差修复模块；
所述图像增强模块用于根据水下图像成像的特点，采用同态滤波和直方图均衡化相结合的方法对校正后的所述水下图像进行图像增强；
所述视差修复模块用于在深度计算之前对所述视差图像采用双线性插值和形态学平滑的方式对时差图像进行修复。


4.根据权利要求2或3所述的一种水下三维重建系统，其特征在于，所述工控机具体还包括：三维映射模块、数据融合模块、三角剖分模块和纹理渲染模块；
所述三维映射模块用于根据深度计算后的所述特征点的二维坐标和相机参数，将所述特征点映射到三维空间中，得到三维点云；
所述数据融合模块用于根据所述水下图像的图像帧更新，三维点云对应更新，直至完成数据融合；
所述三角剖分模块用于完成数据融合后采用基于局部的Delaunary网格边界构造方法对所述三维点云进行三角化剖分，将划分后的三维点集连接组成三角网络，得到所述水下图像的物体表面的拓扑结构信息；
所述纹理渲染模块用于对所述三角网络进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊明磊，刘召斌，王文斌，
申请(专利权)人：博雅工道北京机器人科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11