[發明專利]水下高精度三維重建裝置及方法

有效

• 申請號: 201610183822.7
• 申請日: 2016-03-27
• 公開（公告）號: CN105787997B
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 董軍宇;吳則舉;亓琳;王楠;張述;范浩
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G06T17/00
• 分類號: G06T17/00
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司 37201
• 代理人: 張中南;邱岳

水下高精度三維重建裝置及方法，包括一個棱柱形框架，其頂部設有一條形滑軌，滑軌上安裝有可水平調節位置的高清相機，滑軌下方有兩個激光器分別固定在其中一個棱柱上；在高清相機下方有八個射燈固定在棱柱形框架上；棱柱形框架頂部的各個頂點經一根支架連接在法蘭底部，法蘭頂部有一承重終端；承重終端頂端連接有主臍帶纜、底部有分線電纜。其方法包括標定激光器、標定入射光方向、裝置入海、采集目標物體激光圖像與不同光照方向下的圖像，圖像傳到水上后，通過結構光和光度立體技術進行快速的高精度三維重建。本發明可實現多種水下重建方法，將光度立體技術與結構光方法的優勢結合在一起，使重建結果更為精確。

技術領域

本發明涉及一種水下高精度三維重建裝置及方法，運用了結構光及光度立體方法，屬于水下視覺技術領域。

背景技術

目前，國內外常用的水下三維重建技術包括聲學成像方法和光學成像方法。聲學成像方法主要采用聲納系統，可以在大尺度范圍內估計目標的深度信息，但精確度較差，難以滿足小尺度的重建需求；光學成像方法如結構光、光度立體、雙目視覺、多視角幾何重建技術等，可以較為精準地還原物體的三維結構，其難點在于相對于水下聲波，光線傳播的模型更加復雜，折射、吸收、散射等因素增大了由采集圖像直接進行重建的難度。

現有的水下三維重建裝置大多用于人造小場景的重建，且對水下光照模型的分析較為簡單，如應用于深海場景，硬件上對設備的水密、耐壓等提出更高要求，算法上也要對復雜環境如渾濁水質的散射影響做出更合理的矯正優化。

發明內容

為了滿足水下探測研究需求，本發明提供了一種水下高精度三維重建裝置及方法，作為一種深海(100米水深)定點三維重建設備，能夠將采集的圖像實時傳輸到水上電腦控制端，對圖像進行去散射處理，運用結構光和光度立體技術對水下目標物體進行高精度三維重建。

該裝置主體部分外形為圓柱形框架結構；其上端為類圓錐狀的鋼架，匯集主體采集設備的電源線纜及數據傳輸線纜，線纜設計長度達100米，用于最深100米水深的探測；主體下部是一個可拆卸的鋼架支撐，裝有滑輪方面運輸，同時考慮到海底地況復雜多樣，設計為向外擴張的支架狀防止設備歪斜翻轉。

圖像采集裝置位于主體的上部，兩個出于相同高度的相機固定于鋼條橫梁上，其間距可調。相機采用工業相機精通，經過專業密封，通過水密及高壓測試，可用于深海場景的高精度拍攝。兩個相機組成雙目圖像采集系統，視需求完成單目或雙目的圖像采集。

激光發射器經過專業密封，固定于主體側面的鋼架上，其發射的激光為“一”字型，入射角度可以自由調節，一般調節使激光線射到圖像采集平面的中部，采用兩個激光器時則打到底面的光線相互垂直。激光發射器要求發射功率較高，以適應水下吸收散射效應造成的光線能量的衰減。

人造光源部分由八個防水射燈組成，為了適應光度立體技術的求解方法，所選射燈射出的光線可近似看作平行光，光照均勻。八個射燈分別固定在主體鋼架外側，形成一個環形，環形內彼此間隔角度為45度，每個燈垂直方向的傾角可調。

本發明的重建方法主要包括：

1、圖像去后向散射處理

光線在水中傳播過程中，由于吸收和散射的影響，光線經物體表面反射到相機過程中能量衰減明顯，其中后向散射的存在嚴重影響成像質量。光線散射指光線傳播過程中射到介質小顆粒上改變光線傳播方向的現象，而后向散射指改變后的傳播方向與初始傳播方向夾角大于90度的散射。采集到的圖像中混雜了背向散射的影響，它是傳播路徑光照打到小顆粒散射回相機的能量的疊加。由于背向散射的成像分布近似服從二元二次函數，通過對圖像均勻分塊，在每個分塊中選取最暗點近似背向散射部分對應的光照，對所有分塊的最暗點分布用隨機抽樣一致(RANSAC)方法迭代擬合出最合理的背向散射函數，用它可以求得個像素點對應的背向散射部分，最后在原圖像的基礎上將背向散射部分減去，得到圖像去后向散射處理的結果。

2、相機參數、激光及光照方向的標定