[發明專利]基于光場多層折射模型的水下三維重建裝置和方法

在審

• 申請號: 201810584975.1
• 申請日: 2018-06-08
• 公開（公告）號: CN109059873A
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發明（設計）人: 張旭;李錦波;何平平;屠大維
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01C13/00
• 分類號: G01C13/00
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

本發明提出了一種基于光場多層折射模型的水下三維重建裝置和方法，屬于計算機視覺研究領域，典型的應用是水下中高精度三維重建。本裝置標定采用光場多層折射模型進行雙目立體視覺標定。激光條紋中心點對應性算法采用基于光場多層折射模型的水下激光條紋匹配算法，根據對應點計算三維點采用光場多層折射模型下的奇異值分解方法。整個系統裝置由兩個高速相機封裝倉和激光掃描計算單元封裝倉組成，封裝倉采用耐高壓設計，高速相機封裝倉和激光掃描系統及計算單元封裝倉之間采用耐高壓管連接，耐高壓管內有連接相機和計算單元的高速USB3.0連接線。高速相機封裝倉對稱分布于裝置兩端，激光掃描計算單元封裝倉在裝置中間。本發明可應用于深水區域的高精度三維重建，最深深度可達到水下4000米。

技術領域

本發明屬于水下計算機視覺研究領域，涉及一種基于光場多層折射模型的水下三維重建裝置和方法，可實現水下四千米三維高精度重建測量。

背景技術

水下三維重建技術是探索深水湖泊和海洋的重要技術手段，可用于水下地形掃描探測、海底考古、水下慢移動生物的體型數據獲取。目前，主要以聲吶為主要探測技術，但是該方法精度較低，不能滿足水下精確探測的需求。

林俊義等人在其論文“一種基于雙目立體視覺的激光線掃描技術[J].機械設計與制造,2011(8):200-202.”提出一種基于極限約束方法進行三維重建的方法。它使用傳統的相機模型來描述水下折射環境，用畸變參數來矯正折射所帶來的偏差。但該方法并不準確，并且在不同水域都需要進行視場范圍內的標定，標定過程中相機和標定板之間不可以有移動，在水下中實際操作性較低。

中國專利CN201410195345.7提出了一種基于線結構光的水下目標三維重建方法。該方法利用單相機和線結構光組合的方法進行三維重建，利用在水下不同深度獲得的標校數據對獲得圖像中的激光條紋中心進行矯正位置，以消除折射帶來的影響。雖然該方法相較于傳統小孔成像模型精度高，但該方法在不同深度的水中都需要用標定板進行標校，并且標校過程中需要在視場不同深度內拍攝標校圖片，在水下實現比較困難，并且在深水中還要考慮標定板的抗壓變形能力，現實操作性比較低。

發明內容

本發明為解決上述問題，提出一種基于光場多層折射模型的水下三維重建裝置和方法。可實現水下高精度激光3D掃描和三維重建。本發明采用基于光場的多層折射模型進行標定、匹配激光條紋中心和計算三維點，確定拍攝水域折射率僅需在視場內拍攝一次靶標即可，其它參數在進入拍攝水域前均已確定。整個裝置采用水下4000米耐高壓封裝設計。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：包括兩個高速相機封裝倉和一個激光掃描系統及計算單元封裝倉，其特征在于所述兩個高速相機封裝倉對稱安裝一個耐高壓連接管的兩端，激光掃描系統及計算單元封裝倉安裝于其中間；激光掃描系統包括一個金屬擺鏡和一個激光器，擺動時可使激光器發射的線激光在相機視場內掃描；由于水下沒有可以滿足USB3.0傳輸速率的水密接插件，因此采用內部連線方式可保證傳輸速率，并且減少了連接件的數量，提高了系統穩定性。

一種基于光場多層折射模型的水下三維重建方法，采用上述方式進行操作，其特征在于操作步驟如下：

步驟a：在空氣中對左右相機分別進行單相機標定，獲得單相機的內參數相機矩陣cameraMatrixL、cameraMatrixR和畸變distortionL、distortionR。

步驟b：使用中國專利CN201710702222.1中的基于多層折射模型的水下立體視覺系統標定方法在水池內對相機進行標定，獲得兩個相機的折射參數(n_L，d_L，miu_L)、(n_R，d_R，miu_R)和立體外參數t_{l_r}，R_{l_r}。

步驟c：在測定海域拍攝一組有靶標的清晰圖片，測定拍攝海域海水折射率μ。