【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及水下环境感知，涉及一种涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法。
技术介绍
1、水下双目视觉感知技术利用两个光学相机从不同视角获取同一个水下场景的两幅图像，还原场景的真实三维空间信息，实现目标距离、尺寸等关键数据的测量，是获取水下三维信息、实现目标精细化探测的重要手段。该技术具有成像分辨率高、细节信息丰富等优点，常被用于在浅水、近距离作业场景中实现地形侦测、工程建设与检修、资源勘测等功能，具有重要的学术研究与工程应用价值。
2、双目视觉系统参数的标定是实现水下三维信息感知的关键步骤。由于水下双目相机通常需要加装一层防水装置，使得水下目标表面反射的光线在被相机感光元件捕获前经过了水体、防水材料、空气三种不同介质的折射。因此，水下双目视觉系统的标定不仅需要获取双目相机的内外参数，还需要根据水体、防水材料、空气三种不同介质的折射率求解防水材料厚度、平面法向量等折射参数。然而，基于折射模型的水下双目视觉系统参数标定方法将水体折射率视为已知常数，在河流、湖泊等水体折射率动态变化的实际应用场景中难以适用，导致水下三维信息感知精度的大幅下降。因此，亟需研究新的水下双目视觉系统标定参数估计方法，提高水下双目视觉三维信息感知精度，为水下工程检测、水下资源探测等领域提供理论依据与技术支持，对推动我国水下探测技术的发展、提高我国海洋领域的科技水平和竞争力具有重要意义。
技术实现思路
1、针对现有技术中水下双目相机标定参数无法适应水体中折射率的变化、导致三维信息感知精度下降的
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，包括以下步骤：
4、步骤s1：在空气中求解双目相机自身的基本参数；
5、步骤s2：在清澈静态水体中，利用水下光线折射模型求解双目视觉系统的初始标定参数；
6、步骤s3：在实际水体中，利用涡旋激光测距实时获取目标区域的距离信息，辅助水下双目视觉系统检测探测区域的水体折射率变化并优化双目视觉系统的标定参数，在动态变化的水体环境中实时获取准确的标定参数。
7、进一步地，在所述步骤s1之前还包括搭建一组水下涡旋激光测距与双目相机同步信息采集装置，所述采集装置包括涡旋激光测距模块、双目相机、处理器以及防水外壳，所述涡旋激光测距模块包括涡旋激光调制系统和接收探测系统；所述涡旋激光调制系统包括激光器与电光调制器，所述电光调制器包括依次设置的第一整形光学系统和第一螺旋相位板，激光器产生高斯光，并将该高斯光发射到第一整形光学系统，再经过第一螺旋相位板将其调制为涡旋激光并向水下目标发射；所述涡旋激光由水下目标反射至接收探测系统，所述接收探测系统包括第二整形光学系统、第二螺旋相位板、遮光片、解调系统、滤噪光阑、光电探测系统以及相位差测距系统，所述整形光学系统对反射光束进行整形，经过与第二螺旋相位板后，通过解调系统对涡旋圆环上的信号进行解调，通过滤噪光阑对信号中的背景噪声进行滤噪处理，经过滤噪后的信号最终到达光电探测系统并被系统识别和检测，传入相位差测距系统，所述相位差测距系统用于分析回波信号与发射信号的相位差，进而得到水下目标的距离。
8、进一步地，所述步骤s1的具体方法为：将水下涡旋激光测距与双目相机同步信息采集装置放置于空气中，在前方放置一块棋盘格标定板，从不同角度、距离拍摄na组标定板双目图像，利用张氏标定法，求解双目相机自身的基本参数，所述基本参数包括左目相机内参al、右目相机内参ar、左目相机与右目相机之间的旋转矩阵rrl与平移向量trl。
9、进一步地，所述步骤s2的具体方法为：将水下涡旋激光测距与双目相机同步信息采集装置放置于清澈静态的水体中，在装置前方放置棋盘格标定板，从不同角度、距离拍摄nw组标定板双目图像，利用张氏标定法，利用光线折射模型求解水下双目视觉系统初始折射参数，所述初始折射参数包括左目相机光心与防水玻璃上界面的垂直距离dl、右目相机光心与防水玻璃上界面的垂直距离dr、玻璃的厚度h、玻璃平面的法向量n。
10、进一步地，所述步骤s2包括以下步骤：
11、步骤s21：建立水下双目视觉光线折射模型；
12、步骤s22：建立折射参数优化模型；
13、步骤s23：基于所述步骤s21和步骤s22，提出水下双目相机折射参数求解方法，推导水下双目视觉系统的非线性折射函数，求解初始折射参数；
14、步骤s24：将所述步骤s1得到的基本参数与所述步骤s23中得到的初始折射参数作为双目视觉系统的初始标定参数。
15、进一步地，所述步骤s21中光线折射模型的建立方法为：
16、假设左目相机坐标系与世界坐标系重合，π1、π2为防水玻璃平面，即折射平面，n(nx,ny,nz)为其法向量，h为防水玻璃的厚度，dl为左目相机光心与π1的垂直距离；na、ng、nw分别为空气、玻璃与水的相对折射率；对于水下目标p，物体表面的反射光线经过两次折射后，成像点分别为pl(xl,yl)、pr(xl,yl)；pil、pol分别为左折射光路与π1平面、π2平面的交点，pir、por分别为右折射光路与π1、π2的交点；左路折射光线由组成，其对应的单位向量分别为分别表示在左路从空气到防水玻璃的入射光线及其入射角度；分别表示左路光线进入防水玻璃产生的折射光线及其折射角度；分别表示左路光线从防水玻璃出射到水体中的折射光线及其折射角度；根据折射光线的共面约束条件，通过折射面的光线满足下式。
17、
18、根据上式，得出光线与π1、π2交点pil、pol的坐标；
19、
20、同上，右目相机中水下目标p的折射光路由组成，其对应的单位向量分别为右折射光路与π1平面、π2平面的交点分别为pir、por；
21、利用双目相机间的旋转矩阵rrl与平移向量trl，将pir、por转换至世界坐标系中，得到新的
22、
23、其中，分别为世界坐标系中右目相机中对应水下目标p的右折射光线单位向量；为右折射光线与π1、π2的交点pir、por在世界坐标系中的坐标；则左目相机与右目相机在水中的折射光线为
24、由于经过相机光心的两次折射光线向量与交点均共面，则空间中存在一个同时与垂直的矢量且矢量与l1、l2的交点分别为m1与m2，则m1与m2的坐标通过如下公式计算得到；
25、
26、对应水下目标p的三维坐标可通过最小化m1与m2的距离确定，即：
27、
28、进一步地，所述步骤s22中折射参数优化模型的建立方法为：
29、假设棋盘格的尺寸与相对位置能够提前确定，假设棋盘格本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，所述步骤S1的具体方法为：将水下涡旋激光测距与双目相机同步信息采集装置放置于空气中，在前方放置一块棋盘格标定板，从不同角度、距离拍摄Na组标定板双目图像，利用张氏标定法，求解双目相机自身的基本参数，所述基本参数包括左目相机内参Al、右目相机内参Ar、左目相机与右目相机之间的旋转矩阵Rrl与平移向量Trl。
3.根据权利要求1所述的涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法为：将水下涡旋激光测距与双目相机同步信息采集装置放置于清澈静态的水体中，在装置前方放置棋盘格标定板，从不同角度、距离拍摄Nw组标定板双目图像，利用张氏标定法，利用光线折射模型求解水下双目视觉系统初始折射参数，所述初始折射参数包括左目相机光心与防水玻璃上界面的垂直距离dl、右目相机光心与防水玻璃上界面的垂直距离dr、玻璃的厚度h、玻璃平面的法向量n。
4.根据权利要求3所述的涡旋光测距
5.根据权利要求4所述的涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，所述步骤S21中光线折射模型的建立方法为：
6.根据权利要求4所述的涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，所述步骤S22中折射参数优化模型的建立方法为：
7.根据权利要求4所述的涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，所述步骤S23中水下双目相机折射参数求解方法为：
8.根据权利要求1所述的涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：
9.根据权利要求8所述的涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，所述步骤S32中匹配点对的定位方法为：
10.根据权利要求8所述的涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，所述步骤S33中当前测量目标区域的水体折射率的计算方法为：
...【技术特征摘要】
1.涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，所述步骤s1的具体方法为：将水下涡旋激光测距与双目相机同步信息采集装置放置于空气中，在前方放置一块棋盘格标定板，从不同角度、距离拍摄na组标定板双目图像，利用张氏标定法，求解双目相机自身的基本参数，所述基本参数包括左目相机内参al、右目相机内参ar、左目相机与右目相机之间的旋转矩阵rrl与平移向量trl。
3.根据权利要求1所述的涡旋光测距协同的水下双目视觉系统动态标定方法，其特征在于，所述步骤s2的具体方法为：将水下涡旋激光测距与双目相机同步信息采集装置放置于清澈静态的水体中，在装置前方放置棋盘格标定板，从不同角度、距离拍摄nw组标定板双目图像，利用张氏标定法，利用光线折射模型求解水下双目视觉系统初始折射参数，所述初始折射参数包括左目相机光心与防水玻璃上界面的垂直距离dl、右目相机光心与防水玻璃上界面的垂直距离dr、玻璃的厚度h、玻璃平面的法向量n。
【专利技术属性】
技术研发人员：周亚琴，孟千翔，马云鹏，余志宏，黄雨，刘洋，韩鑫宇，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：
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