[發明專利]基于光度立體法和激光三角法的水下高精度三維重建方法

有效

• 申請號: 202110293067.9
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN112991532B
• 公開（公告）日: 2022-03-22
• 發明（設計）人: 范浩;董軍宇;陳昌浩;孔令輝;饒源;亓琳
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06T7/80;G06T7/521
• 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

基于光度立體法和激光三角法的水下高精度三維重建方法,包括標定相機、設置光源角度、獲取激光平面參數、獲取圖像，在水下光度立體法步驟中設定水下成像模型、水下光度立體模型和水下相機折射模型,通過激光三角法獲得激光平面與目標物體相交點的高度，在水下光度立體融合步驟中進行弱透視圖像、水下圖像復原和之后的光度立體高度重建，最后進行水下光度立體高度矯正，得到物體表面高度重建結果。本發明可針對海底局部地表或者海底小目標物體進行高分辨率高精度三維重建；以水下相機折射成像模型為依據實現水下光度立體法和水下激光三角法；使用激光來獲取物體表面真實尺度，配合水下光度立體技術來獲取待重建物體的真實尺度和重建模型。

技術領域

本發明屬于計算機視覺水下三維重建技術領域，尤其涉及一種基于光度立體法和激光三角法的水下高精度三維重建方法。

背景技術

三維重建是指對現實世界中的物體建立計算機能夠表示和處理的數學模型，是計算機表達現實世界的重要技術。通過三維重建，計算機獲得真實場景中物體的三維信息，能夠在多方面展示物體的特性。因此，三維重建技術可應用于多個領域，例如：文化遺產保護、臨床醫學、自動駕駛、地形勘探、裝備制造等。

光度立體是一種根據物體表面反射光強變化恢復三維結構的技術。相比于結構光法、三角測距法、陰影恢復形狀法等方法，光度立體法的重建精度更高，能夠恢復連續表面的細節變化。然而光度立體法應用于水下三維重建時會產生畸變。在激光三角法中，線激光器發出結構光照射在被測物體上，通過計算圖像中激光線上的像素點的深度值，就能夠恢復出物體的三維結構。在水下環境中，復雜的水質對光源產生影響從而導致傳統光度立體法的精度降低，導致三維重建結果與實際物體高度存在誤差。水下線激光三角法雖然可以獲得準確的三維物體點信息，但重建結果稀疏。綜上，水下光度立體技術受限于水質的要求，現有的光度立體技術無法應用到復雜多變的水質中三維重建，需要提出一種新型水下三維重建方法。

發明內容

本發明針對水下光度立體法三維重建誤差大的局限性，提供了一種基于光度立體法和激光三角法的水下高精度三維重建方法。依靠本發明提供的裝置及方法可以對水下環境的物體進行三維重建，重建出誤差小、表面細節豐富的三維模型。

1、基于光度立體法和激光三角法的水下高精度三維重建方法，其特征是包括以下步驟：

0)設計水下高精度三維重建裝置

該裝置包括一個圓形的框架，該框架上固定六個光源燈和兩個線激光器，相機位于圓形支撐框架中心的正上方，光源以相機為圓心且環形等間距均勻分布；

以相機世界坐標系為準，光源在XOY平面的分布角度(Tilt角)為0°、60°、120°、180°、240°、300°，光源的主軸方向指向相機的光軸，與垂直方向(Z軸)的夾角(Slant角)為45°；

兩個線激光器的光路在XOY平面中相互垂直；框架的正下方是一個物體托盤，用于放置被重建物體；該裝置中，相機的成像平面、光源的分布平面、物體的放置平面相對平行；

1)標定相機、設置光源角度、獲取激光平面參數

開啟相機，調整線激光器的位置，使得垂直激光線和平行激光器的交叉點位于相機成像的正中心；將標定板放于相機的正下方，手動控制標定板的旋轉和平移，依次拍攝垂直激光線和水平激光線照射在標定板上的多張圖片；通過標定獲得相機內參數，再根據兩個激光線與標定板的交點坐標得到兩個激光平面方程；

2)獲取圖像

為了避免環境光的干擾，該裝置在黑暗環境下進行拍攝，把該裝置放入水下環境中，使得相機浸入水中，六個光源燈按照Tilt角從0°到300°依次照射，通過相機拍攝六個角度光照下的待重建物體圖片；關閉所有光源燈，依次打開兩個線激光器，拍攝垂直激光線照射在物體上的圖片和水平激光線照射在物體上的圖片；

3)水下光度立體法

a.水下成像模型