[發(fā)明專利]基于光場(chǎng)多層折射模型的水下折射率自標(biāo)定方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811254277.1
• 申請(qǐng)日: 2018-10-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109490251A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-03-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張旭;張璨;屠大維
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/41
• 分類號(hào): G01N21/41
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

本發(fā)明提出一種基于光場(chǎng)多層折射模型的水下折射率自標(biāo)定方法。在水下拍攝環(huán)境中，成像光線依次通過(guò)水、玻璃、空氣這三種介質(zhì)。在已知相機(jī)內(nèi)參，空氣和玻璃的折射率、厚度以及立體視覺(jué)系統(tǒng)相對(duì)姿態(tài)的情況下，本發(fā)明通過(guò)在測(cè)定海域拍攝一組清晰的標(biāo)定板圖片，根據(jù)物點(diǎn)P在左、右相機(jī)兩約束平面（界面法線和入射光線決定的平面）所相交的直線上這一約束，從而測(cè)定拍攝海域海水折射率μ。本發(fā)明公開(kāi)的基于光場(chǎng)多層折射模型的水下折射率自標(biāo)定方法可廣泛應(yīng)用于高精度水下測(cè)距及水下三維重建中。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及水下標(biāo)定技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光場(chǎng)多層折射模型的水下折射率自標(biāo)定方法。

背景技術(shù)

水的折射率對(duì)于水下測(cè)距、三維重建有著重要意義。水下折射率隨溫度的升高而減小，隨鹽度的增大而增大。對(duì)于一個(gè)測(cè)量深度為2-3m的儀器，當(dāng)折射率變化千分之一，則在3m處誤差就達(dá)到3mm。因此，高精度的水下折射率標(biāo)定是一個(gè)重要科學(xué)問(wèn)題。

測(cè)量折射率的方法有很多種，宋師霞等人在其論文“用邁克爾干涉儀測(cè)水的折射率[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015(21):255-255.”中提出了一種通過(guò)測(cè)出邁克爾遜干涉儀的動(dòng)鏡在水中的移動(dòng)量及其相應(yīng)的干涉條紋變化數(shù)進(jìn)而測(cè)量水折射率的方法；李強(qiáng)等人在其論文“毛細(xì)管成像法精確測(cè)量微量液體的折射率[J].光學(xué)精密工程，2012，20(7):1440-1446.”中以充入透明液體的毛細(xì)管構(gòu)成柱透鏡，基于共軸球面光學(xué)系統(tǒng)的成像原理，對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)的放大率進(jìn)行單一參數(shù)的測(cè)量，進(jìn)而計(jì)算出待測(cè)液體的折射率。

上述這些用于測(cè)量折射率的方法雖然精度較高，但其實(shí)驗(yàn)裝置搭建都比較復(fù)雜，設(shè)備昂貴，對(duì)操作者的專業(yè)性具有一定要求并且僅適用于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的測(cè)量，在運(yùn)用到水下甚至深海環(huán)境進(jìn)行測(cè)量時(shí)，實(shí)際操作性比較低。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種基于光場(chǎng)多層折射模型的水下折射率自標(biāo)定方法。

為達(dá)此目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

在水下拍攝環(huán)境中，成像光線依次通過(guò)水、玻璃、空氣這三種介質(zhì)。在已知相機(jī)內(nèi)參，空氣和玻璃的折射率、厚度以及立體視覺(jué)系統(tǒng)相對(duì)姿態(tài)的情況下，通過(guò)在測(cè)定海域拍攝一組清晰的標(biāo)定板圖片，根據(jù)物點(diǎn)P在左、右相機(jī)兩約束平面(界面法線和入射光線決定的平面)所相交的直線上這一約束，從而測(cè)定拍攝海域海水折射率μ。

一種基于光場(chǎng)多層折射立體模型的水下折射率自標(biāo)定方法，操作步驟如下：

步驟一：在左、右相機(jī)拍得的清晰標(biāo)定板圖片上，提取得到相對(duì)應(yīng)的一組像點(diǎn)，左像點(diǎn)m_l，右像點(diǎn)m_r；

步驟二：根據(jù)光線的光場(chǎng)表示方法，分別計(jì)算對(duì)于左、右相機(jī)像點(diǎn)經(jīng)過(guò)多層界面?zhèn)鞑ズ驼凵浜蟮竭_(dá)水中的入射光線并轉(zhuǎn)換成光場(chǎng)矢量q_l，q_r；

步驟三：將右相機(jī)坐標(biāo)系下矢量和點(diǎn)轉(zhuǎn)換到左相機(jī)坐標(biāo)系：q_r'＝R_{l_r}×q_r+t_{l_r}，對(duì)于右多層折射坐標(biāo)系的z軸同理得：z_r'＝R_{l_r}×z_r，o_r'＝t_{l_r}；

步驟四：根據(jù)平面法線和點(diǎn)約束，分別求出左、右相機(jī)約束平面π_l、π_r；左相機(jī)約束平面表示為：平面法線平面上一點(diǎn)o_l＝[0 0 0]；右相機(jī)約束平面表示為：平面法線平面上一點(diǎn)o_r'＝t_{l_r}；

步驟五：兩個(gè)約束平面相交于一條直線，由折射定律知，物點(diǎn)P在該直線上；