一种深海三维激光扫描成像方法技术

本发明专利技术公开了一种深海三维激光扫描成像方法，系统包括激光器、摄像机、高度计和陀螺仪，均在水下工作，激光器生成一字线激光；摄像机拍摄激光器打出的激光图像，激光器和摄像机之间通过固定装置固定于预设角度，并保持不变；高度计，测量系统所处的高度；陀螺仪测量系统与水平面之间因海水波动产生的倾角；方法包括以下步骤：S1，摄像机拍摄激光器打出的激光图像，高度计和陀螺仪分别测得系统高度和倾角；S2，对摄像机拍摄的图像进行修正；S3，根据修正后的图片构建三维模型。本发明专利技术提供的深海图像修正算法，可以减少人力成本，同时可以提高识别的准确性。高识别的准确性。高识别的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种深海三维激光扫描成像方法


[0001]本专利技术属于计算机视觉
，特别涉及一种深海三维激光扫描成像方法。

技术介绍

[0002]海洋中具有丰富的自然资源，因为其开采难度远大于陆地资源，所以很多资源都尚未被开采，甚至尚未被发现。为了开采水下的资源，水下成像技术的发展是至关重要的，研究员通过各种各样的传感器对海底的环境进行勘测，寻求我们需要的资源。
[0003]计算机视觉在空中被广泛使用，但在水下应用时却有许多挑战。一方面，由于水的吸收和散射，在水下拍摄的图像会模糊不清。另一方面，出于经济和安装方便的考虑，摄像机通常安装在带有平面密封玻璃的防水外壳中，因此来自物体的光线通过水、玻璃和空气进入摄像机的成像平面。光线在水
‑
玻璃界面和玻璃
‑
空气界面发生折射，这将导致来自目标的光线不再汇聚在一个投影中心，因此图像的形成不遵循针孔摄像机模型的单视点(SVP)假设，导致水下图像的严重变形。因此，在空气中标定过的相机在进入水中时将失去其参数。尽管在水下场景中使用透视摄影机模型会引入系统的模型误差，但在文献中可以找到很多工作，其中为透视摄影机设计的方法被用在水下图像上。折射图像的失真总是通过调整相机的内部参数来补偿的。
[0004]不同于陆地，深海中不仅环境危险，且光线非常弱，常规的成像技术很难应用于海底。同时，海底探测器的能量供应也非常困难，且要配置大量的装置，所有的装置都应尽量降低功耗，延长探测时间。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提出一种深海三维激光扫描成像方法，基于深海三维激光扫描成像系统包括激光器、摄像机、高度计和陀螺仪，均在水下工作，激光器生成一字线激光；摄像机拍摄激光器打出的激光图像，激光器和摄像机之间通过固定装置固定于预设角度，并保持不变；高度计，测量系统所处的高度；陀螺仪测量系统与水平面之间因海水波动产生的倾角；方法包括以下步骤：
[0006]S1，摄像机拍摄激光器打出的激光图像，高度计和陀螺仪分别测得系统高度和倾角；
[0007]S2，对摄像机拍摄的图像进行修正；
[0008]S3，根据修正后的图片构建三维模型。
[0009]优选地，所述激光器、摄像机、高度计和陀螺仪具有相同的帧率，当帧率不同时，通过插值的方法得到同步的帧率。
[0010]优选地，所述S1中激光器照射在不同高度的物体上时，激光线呈现在摄像机屏幕的图案将发生变化，高度和激光线在图像中的位置的关系为:
[0011]其中，Δh为物体高度，h为系统所能扫描的最大高度，Δd为激光线偏离图像中心
的距离，d为摄像机和激光器的中心距离。
[0012]优选地，所述S2包括以下步骤：
[0013]S21，二值化分离出前景激光线和环境背景，选定包含激光线的ROI区域；
[0014]S22，根据高度计和陀螺仪的数据对图像进行修正。
[0015]优选地，所述S21包括将图像从RGB图像转化为灰度图像，摄像机拍摄到的图像包含三个通道的，红色R，绿色G和蓝色B，即RGB图像，将RGB图像转灰度图的公式为：
[0016]Gray＝R*0.299+G*0.587+B*0.114
[0017]为减少浮点运算，提高运算速度，采用等效公式：
[0018]Gray＝(R*30+G*59+B*11+50)/100
[0019]其中，Gray代表所需要的灰度图，R、G、B分别代表RGB色图像的三个通道；
[0020]再对灰度图做二值化处理，包括设置亮度阈值找到激光线的位置，二值化的公式为：
[0021][0022]其中，p为灰度图中单个像素的值，thres为设置的亮度阈值。
[0023]优选地，所述S22中，根据高度计数据，对图像进行缩放，实现高度修正；根据陀螺仪数据，对图像进行仿射变换，实现倾角修正。
[0024]优选地，所述高度修正具体为：当摄像机距离扫描区域的高度低于预设高度时，所拍摄到的物体的图像会变大，通过将图像按照实际高度和预设高度的比值将图像缩小，然后在图像的周围位置补0；
[0025]当摄像机距离扫描区域的高度高于预设高度时，所拍摄到的物体的图像会变小，通过将图像按照实际高度和预设高度的比值将图像放大。
[0026]优选地，所述倾角修正具体为：仿射变换公式为：
[0027][0028]其中，(x,y)为修正前像素坐标，(x
′
,y
′
)为修正后像素坐标，M为仿射矩阵。
[0029]优选地，所述S3中包括标定四个参数，通过在陆地上模拟水下的方式进行标定，四个参数包括：
[0030]前两个标定参数分别为摄像机的内参和外参，摄像机的内参为真实的世界坐标和图像坐标的对应关系；摄像机的外参为图像坐标转化为建立的三维模型坐标的转换关系；第三个参数为光平面相对于三维模型坐标的转换关系，光平面为激光器的坐标跟激光线之间构成的平面，通过这个平面，可计算出激光线照射到的物体的高度信息；第四个参数为整个系统的移动方向和速度，同时也就是激光扫描的速度；
[0031]通过上述四个参数便可根据拍摄到的激光线的图片，计算出激光线照射位置对应的三维模型坐标，得到X坐标图，Y坐标图和Z坐标图；
[0032]根据得到的X,Y,Z坐标就可以将所有的坐标点进行融合，生成三维模型。
[0033]优选地，所述S3包括以下步骤：
[0034]S31，根据修正后的激光线图像和标定数据获得深度参数；
[0035]S32，根据所述深度参数，将二维的图像数据映射到三维空间，获得所有点的三维坐标；
[0036]S33，根据获得的三维坐标，生成三维模型。
[0037]有益效果：上述深海三维激光扫描成像方法能很好的解决深海环境中的建模难题。在陆地上进行激光扫描建模时，摄像机和激光器是稳定的固定在一起的，只有非常轻微的运动，然而水下的环境并不稳定，设备在水下会随着海水的运动而俯仰运动，这样会对三维建模的结果产生影响，导致与实际环境产生较大的误差。为了解决这个问题，本专利技术设计了一个通过高度计和陀螺仪的数据来对三维建模结果进行修正的方案。激光器和摄像机在进行扫描拍摄的同时，实时的读取高度计和陀螺仪的数据，根据这两个传感器的数据来计算扫描设备本身相对于平行位置产生了怎么的偏差，根据这一偏差，修改在三维建模时的参数，来弥补由于海水抖动所产生的误差。激光器本身的功率并不高，而且在经过修正后同时可以达到很高的精度，且系统整体是一个低功耗而且高精度的水下成像系统。
附图说明
[0038]图1为本专利技术实施例深海三维激光扫描成像方法的激光扫描示意图；
[0039]图2为本专利技术实施例深海三维激光扫描成像方法的摄像机和激光器之间位置示意图；
[0040]图3为本专利技术实施例深海三维激光扫描成像方法的相机拍摄到的激光线示意图。
具体实施方式
[0041]为了使本专利技术的目的、技术方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种深海三维激光扫描成像方法，其特征在于，基于深海三维激光扫描成像系统包括激光器、摄像机、高度计和陀螺仪，均在水下工作，激光器生成一字线激光；摄像机拍摄激光器打出的激光图像，激光器和摄像机之间通过固定装置固定于预设角度，并保持不变；高度计，测量系统所处的高度；陀螺仪测量系统与水平面之间因海水波动产生的倾角；方法包括以下步骤：S1，摄像机拍摄激光器打出的激光图像，高度计和陀螺仪分别测得系统高度和倾角；S2，对摄像机拍摄的图像进行修正；S3，根据修正后的图片构建三维模型。2.根据权利要求1所述的深海三维激光扫描成像方法，其特征在于，所述激光器、摄像机、高度计和陀螺仪具有相同的帧率，当帧率不同时，通过插值的方法得到同步的帧率。3.根据权利要求1所述的深海三维激光扫描成像方法，其特征在于，所述S1中激光器照射在不同高度的物体上时，激光线呈现在摄像机屏幕的图案将发生变化，高度和激光线在图像中的位置的关系为:其中，Δh为物体高度，h为系统所能扫描的最大高度，Δd为激光线偏离图像中心的距离，d为摄像机和激光器的中心距离。4.根据权利要求1所述的深海三维激光扫描成像方法，其特征在于，所述S2包括以下步骤：S21，二值化分离出前景激光线和环境背景，选定包含激光线的ROI区域；S22，根据高度计和陀螺仪的数据对图像进行修正。5.根据权利要求4所述的深海三维激光扫描成像方法，其特征在于，所述S21包括将图像从RGB图像转化为灰度图像，摄像机拍摄到的图像包含三个通道的，红色R，绿色G和蓝色B，即RGB图像，将RGB图像转灰度图的公式为：Gray＝R*0.299+G*0.587+B*0.114为减少浮点运算，提高运算速度，采用等效公式：Gray＝(R*30+G*59+B*11+50)/100其中，Gray代表所需要的灰度图，R、G、B分别代表RGB色图像的三个通道；再对灰度图做二值化处理，包括设置亮度阈值找到激光线的位置，二值化的公式为：其中，p为灰度图中单个像素的值，thres为设置的亮度阈值。6.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：李竹，王智聪，于海滨，杨刚，陈云赛，闫仕娟，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：