【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水下视觉测量，更具体地，涉及一种基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法及系统。
技术介绍
1、水下环境的特殊性在海洋、核电等行业均有所体现。海洋领域的海底地貌测绘、海洋生态保护、水体管理等均要求在水下进行监测。核电领域的正常运行、在役零件维护检修、零部件水下安装等场景也要求水下操作，具有较大的危险性和不便性。
2、视觉测量作为非接触式测量手段，是以上工作场景的一种较优选择，可避免人工下水操作，在极大程度上保证了人员安全，且视觉测量具有精度好、效率高、易集成等优良特性。但水下环境使得传感器需被密封于容器中，这导致成像将经过“水-玻璃-空气”三种介质，发生两次折射，使得物体在相机中呈现“更近更大”的效果，成像已然不满足传统的成像原理，需要针对该问题提出相应的解决方案。
3、为此，许多学者针对水下多介质折射成像问题开展了深入的理论方法研究。传统的解决方法在水下进行相机标定，将折射效应耦合进相机内参，但其从原理上忽略了折射效应，带来的误差极大。另一种理论为多视点模型，通过定义虚拟相机和虚拟焦距，将折射光路转换为直线光路，但虚拟相机的不唯一性使得该方法过程繁琐且精度较低。因此，亟待提出一种从理论上解释多介质成像过程并对各项参数进行精确标定的方法，从而更好地将相机应用于水下环境。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法及系统，其目的在于，准确标定水下折射成像时的各项参数，提高视
2、为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提出了一种基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，包括如下步骤：
3、s1、相机封装后在水下拍摄时，光路经过水-透明窗口-空气三种介质，以透明窗口靠近相机侧的平面为第一折射面，靠近水侧的平面为第二折射面，第一折射面与第二折射面平行，据此建立水下折射成像模型；该水下折射成像模型的参数包括透明窗口平面的法矢、相机位姿、第一折射面到相机光心的距离以及水的折射率；
4、s2、相机分别在有水和无水的情况下拍摄标定板，得到拍摄时光路为水-透明窗口-空气的有水图片，以及光路为空气-透明窗口-空气的无水图片；
5、s3、根据有水图片、无水图片确定有水、无水情况下的光线向量，进而基于折射的共面约束，计算透明窗口平面的法矢；
6、s4、根据无水图片，基于光线的共面约束和平面折射约束，估计相机的旋转和平移矩阵，得到相机位姿；
7、s5、根据透明窗口平面的法矢、相机位姿以及有水图片，确定第一折射面到相机光心的距离和水的折射率。
8、作为进一步优选的，步骤s3，基于折射的共面约束，计算透明窗口平面的法矢，包括：
9、基于折射的共面约束，有：
10、cnt(cvw0×cva0)＝0
11、其中，cvw0、cva0分别为在相机参考系下有水、无水情况下相机到透明窗口的光线向量；cn为在相机参考系下透明窗口平面的法矢；
12、根据有水图片和无水图片，得到标定板上每个点对应的cvw0、cva0，从而得到多组cvw0、cva0，进而求得cn的最小二乘解。
13、作为进一步优选的，步骤s4，基于光线的共面约束和平面折射约束，估计相机的旋转和平移矩阵，得到相机位姿，包括：
14、根据光线的共面约束，构建如下线性方程：
15、
16、其中，wp为世界参考系中的空间点坐标，为世法向参考系到相机参考系的旋转矩阵；和分别为世界参考系到法向参考系的旋转矩阵和平移矩阵；表示kronecker积，(:)表示对矩阵按列展开为向量；世界参考系指标定板本身的参考系，法向参考系指正对透明窗口平面的参考系；
17、无水图片上的每个点均对应一个线性方程，则根据无水图片上的所有点构建线性方程组a为参数矩阵；
18、矩阵a的第3,6,7,8,9,12列均为0，提取矩阵a中的剩余列构成秩为5的矩阵b，得到：从而求解得到其分别表示中的部分元素；
19、根据与基于平面折射约束，得到和的多组解；进而将其转化为和的多组解，并从中筛选出正确解作为相机位姿；和分别为世界参考系到相机参考系的旋转矩阵和平移矩阵，即相机位姿。
20、作为进一步优选的，根据与得到和的多组解，包括：
21、旋转矩阵具体表示为：
22、
23、求解得到的即确定了元素rn11、rn12、rn21、rn22，进而根据内在性质的约束计算中的剩余元素k、r13、r23、r13、r23、r23，得到的多个解；
24、平移矩阵包括元素和λ，基于根据平面折射约束计算得到λ。
25、作为进一步优选的，从和的多组解中筛选出正确解作为相机位姿，包括：
26、根据世界参考系的定义方式判断和中最后一个元素的符号，从而筛选出2组解；
27、分别计算2组解对应的反投影误差，该反投影误差指根据相机位姿计算出的所有预测点和对应观测直线的平均欧式距离；以该平均欧式距离最小的解作为正确解。
28、作为进一步优选的，步骤s5，根据透明窗口平面的法矢、相机位姿以及有水图片，确定相机光心到透明窗口平面的距离和水的折射率，包括：
29、有水时根据平面折射约束，得到方程一：
30、
31、根据snell定律，得到方程二：
32、avw1＝α1avw0+β1an
33、α1＝μ0/μ1
34、
35、avw2＝α2avw1+β2an
36、α2＝μ1/μ2
37、
38、其中，apw0为空间点在共面参考系的坐标，其基于该空间点在世界参考系的坐标，根据相机位姿转换求解得到，共面参考系指光线所在的二维平面参考系；avw0、avw1、avw2分别为有水时相机到透明窗口的光线向量、透明窗口内的光线向量、透明窗口到标定板的光线向量，avw0＝[x0 y0]t，avw1＝[x1 y1]t，avw1，avw2基于透明窗口平面的法矢计算得到；d0、d1分别为相机光心到透明窗口平面的距离、透明窗口的厚度；an为在共面参考系下透明窗口平面的法矢；μ0、μ1、μ2分别为空气、透明窗口、水的折射率；
39、根据方程一和方程二得到关于d0和μ2的二次方程组：
40、
41、其中，k01～k06、k11～k16均为常数；
42、在有水图片上任取两个点，代入上述二次方程组，求解并筛选得到一组d0和μ2的解；采用随机取点的策略获得若干组d0和μ2的解，通过计算反投影误差选择最优解。
43、作为进一步优选的，在有水图片上任取两个点，代入二次方程组初步会得到多组解，通过以下关系筛选得到一组d0和μ2的解：
44、
45、μ0＜μ2＜μ1
46、本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，步骤S3，基于折射的共面约束，计算透明窗口平面的法矢，包括：
3.如权利要求2所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，步骤S4，基于光线的共面约束和平面折射约束，估计相机的旋转和平移矩阵，得到相机位姿，包括：
4.如权利要求3所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，根据与得到和的多组解，包括：
5.如权利要求4所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，从和的多组解中筛选出正确解作为相机位姿，包括：
6.如权利要求1所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，步骤S5，根据透明窗口平面的法矢、相机位姿以及有水图片，确定相机光心到透明窗口平面的距离和水的折射率，包括：
7.如权利要求6所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，在有水图片上任取两个点，代入二次
8.如权利要求1-7任一项所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，还包括如下步骤：
9.一种基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行如权利要求1-8任一项所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-8任一项所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法。
...【技术特征摘要】
1.一种基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，步骤s3，基于折射的共面约束，计算透明窗口平面的法矢，包括：
3.如权利要求2所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，步骤s4，基于光线的共面约束和平面折射约束，估计相机的旋转和平移矩阵，得到相机位姿，包括：
4.如权利要求3所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，根据与得到和的多组解，包括：
5.如权利要求4所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，从和的多组解中筛选出正确解作为相机位姿，包括：
6.如权利要求1所述的基于单目视觉的水下折射成像模型参数标定方法，其特征在于，步骤s5...
【专利技术属性】
技术研发人员：张晋华，李文龙，张翰玉，陈锐，郑雪松，田亚明，王东方，杨文韬，林扬，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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