[發(fā)明專(zhuān)利]一種渾濁水體三維地圖構(gòu)建方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010057777.7
• 申請(qǐng)日: 2020-01-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111292418A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-06-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 冀大雄;鄧志;孫明哲;周帥
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G06T17/05
• 分類(lèi)號(hào): G06T17/05;G06T7/223;G06T7/55;G06T7/80;G06T5/00
• 代理公司: 杭州中成專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 33212
• 代理人: 周世駿

1.一種渾濁水體三維地圖構(gòu)建方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：利用單目相機(jī)對(duì)渾濁水體下的環(huán)境進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集；

步驟二：利用渾濁水體圖像增強(qiáng)算法進(jìn)行處理生成增強(qiáng)圖像；

步驟三：采用水下三維地圖構(gòu)建算法對(duì)增強(qiáng)圖像進(jìn)行圖像跟蹤、深度估計(jì)和地圖更新。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種渾濁水體三維地圖構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟二包括以下子步驟：

1)建立水下圖像Ip(x)的數(shù)學(xué)模型，如式(1)所示

其中x代表像素，d(x)表示場(chǎng)景深度，β表示衰減系數(shù)，E_A是太陽(yáng)光透過(guò)水的表面?zhèn)鬏數(shù)剿碌墓庹諒?qiáng)度，E_L是來(lái)自于人造光的光照強(qiáng)度,太陽(yáng)光和人造光的光照強(qiáng)度由表面反射率ρ(x)來(lái)衡量，J(x)表示人造光和自然光照強(qiáng)度的線性融合式，h_psf(x)是以點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)為內(nèi)核去除圖像模糊的函數(shù)，*代表卷積運(yùn)算，·表示矩陣點(diǎn)乘，而N代表的是隨機(jī)噪聲；

2)利用導(dǎo)向?yàn)V波器去除圖像噪聲，濾波過(guò)程如下：

設(shè)圖像Ip(x)的線性變換如下：

其中ω(x)是以像素點(diǎn)x為中心，r為半徑的鄰域，r100，a_x和b_x是窗口ω(x)內(nèi)的系數(shù)常量，可通過(guò)式(3)和(4)計(jì)算得到；

其中τ為正則化參數(shù)，用來(lái)防止系數(shù)a_x過(guò)大，IO_i為待濾波的原始圖像，μ_x和σ_x為局部窗口ω(x)內(nèi)引導(dǎo)圖像I的灰度均值和方差，為原始圖像的灰度均值，|ω|為窗口像素的總數(shù)；再對(duì)不同窗口求出的結(jié)果再取均值：

得到增強(qiáng)圖像GIp(x)，其數(shù)學(xué)模型為

進(jìn)一步調(diào)整可得：

J(x)*h_psf(x)＝(GIp(x)-E_L(x))·e^βd(x)+E_L(x) (6)

3)利用朗伯余弦定律與Light-emitting diode照明模型，估計(jì)人造光強(qiáng)度：

根據(jù)光源的輻射角度φ和光源相對(duì)于目標(biāo)的入射角度ψ，光源到達(dá)成像表面的每一個(gè)像素點(diǎn)處的光照強(qiáng)度表示為

其中光源的光照強(qiáng)度為U₀，光源的輻射角度為φ，光源相對(duì)于目標(biāo)的入射角度為ψ，光源到目標(biāo)平面的距離為l(x)，m＝-ln2/ln(cos0.5φ)，給出了朗伯余弦執(zhí)行的順序；

4)用優(yōu)化濾波算法，彌補(bǔ)光在水下傳輸過(guò)程所造成的損失；

基于廣義高斯分布，即GGD，generalized Gaussian distribution，連續(xù)隨機(jī)變量的概率密度函數(shù)

其中，且z＞0是伽瑪函數(shù)，p是GGD的形狀參數(shù)，而σ是GGD的標(biāo)準(zhǔn)差；

設(shè)前向散射參數(shù)為q，入射角為ψ，采用Henyey Greenstein相位函數(shù)作為粒子的相位函數(shù)：

水體的渾濁度為T(mén)，相機(jī)接收處到粒子的距離為d,水中介質(zhì)的衰減系數(shù)為β，則：

T＝β·d (10)

水中多重散射公式為：

結(jié)合式(8)、(9)、(10)與(11),PSF處理函數(shù)可利用GDD近似為如下形式：

其中Γ(.)為伽馬函數(shù)，即x＞0；μ為均值，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，而是形狀參數(shù)，

根據(jù)實(shí)際光學(xué)實(shí)驗(yàn)，可得渾濁度T與形狀參數(shù)p、前向散射參數(shù)q的關(guān)系

將式(12)拓展到二維坐標(biāo)系中，將上述函數(shù)關(guān)系式帶入，可得：

將(13)代入(8)解得最后的圖像處理結(jié)果J(x)，利用對(duì)比度受限的自適用直方圖均衡化算法對(duì)J(x)進(jìn)行處理，處理結(jié)果即為最終的增強(qiáng)圖像。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種渾濁水體三維地圖構(gòu)建方法，其特征在于，所述步驟三包括以下子步驟：

1)圖像跟蹤：?jiǎn)文肯鄼C(jī)移動(dòng)過(guò)程中，對(duì)相機(jī)所獲取的圖像采用直接法跟蹤，使用極限搜索與塊匹配的方式來(lái)得到相機(jī)的旋轉(zhuǎn)平移變換，進(jìn)行塊匹配，提取關(guān)鍵幀；

然后根據(jù)攝像機(jī)的移動(dòng)距離來(lái)判斷關(guān)鍵幀的創(chuàng)建，并通過(guò)設(shè)置距離閾值以確定是否創(chuàng)建新的關(guān)鍵幀；如果相機(jī)移動(dòng)的距離太大，距離現(xiàn)有的局部地圖太遠(yuǎn)，則會(huì)從最近的跟蹤圖像中創(chuàng)建新的關(guān)鍵幀，并將相對(duì)距離和角度信息的加權(quán)組合值設(shè)為更新關(guān)鍵幀的標(biāo)準(zhǔn)：

2)深度估計(jì)：采用改進(jìn)的三角測(cè)量法來(lái)初始化和計(jì)算像素點(diǎn)的深度信息，然后利用深度濾波器對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，降低幾何誤差和隨機(jī)噪聲帶來(lái)的干擾；

3)地圖更新：根據(jù)圖像跟蹤和深度數(shù)據(jù)估計(jì)得到的三維空間點(diǎn)信息，采用基于關(guān)鍵幀的方法來(lái)對(duì)地圖進(jìn)行更新和拓展，并利用3D相似變換來(lái)檢測(cè)地圖的閉環(huán)，從而得到全局一致性地圖。