[發明專利]基于激光三角法的旋轉水下物體三維重建方法

有效

• 申請號: 202110293078.7
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN112991533B
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發明（設計）人: 范浩;董軍宇;朱志浩;亓冠棋;亓琳;楊健;王祥龍;吳闖
• 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

基于線結構光旋轉掃描的水下三維重建的方法，包括水下相機參數標定、轉軸標定、水下激光平面標定，水下圖像采集，再利用水下相機折射模型進行矯正，然后進行水下激光旋轉掃描三維成像，最后通過點云進行重建。本發明實現了對目標物體靜止狀態下的高精度三維重建，該方法簡化了物體橫向掃描的復雜流程，使得在水下能更便易的完成物體的旋轉掃描，并提出了水下相機折射模型和旋轉軸標定方法，解決了水下折射問題和并因相機光心不在旋轉軸中央和相機可能架構不標準導致的重建效果不好的問題，使得三維重建效果更精確，能夠直接實現稠密重建，避免了因稀疏重建加上采樣方法導致的誤差較大的問題，對于較大范圍的水下場景也能實現精準重建。

技術領域

本發明屬于計算機視覺三維重建技術領域，涉及一種基于激光三角法的水下物體三維重建方法。

背景技術

隨著計算機視覺領域的不斷發展，三維重建成為了研究的重點，三維重建技術就是要在計算機中真實地重建出物體表面的三維虛擬模型，把真實場景刻畫成符合計算機邏輯表達的數學模型，相比于二維圖像，三維模型能夠提供物體的深度數據，從而能夠全方位的展現物體特性，這種模型可以對文物保護、生物研究、建筑設計、臨床醫學等研究起到輔助的作用。

在所有的三位重建方法中，基于線結構掃描的方法具有測量范圍較廣、測量效率高、結構簡單等優點，在工程測量領域前景廣泛。除此之外，水下目標三維探測作為海洋研究及開發中的非常重要的一項技術，受到各國科研機構和政府的重視。傳統的水下目標探測技術以聲學測量為主，但是聲學測量技術因其固有的物理特性使其較難滿足實時高精度水下目標的三維探測及重構的任務。而以光學測量技術為基礎的水下光電探測技術集合了當前高速發展的計算機視覺技術、激光技術、數字圖像處理技術、電子與信號處理技術等，同時應用范圍也越來越廣。常規的激光三角法以線結構光平移掃描完成物體表面數據采集，考慮到儀器在水底移動不便，以及常見的激光掃描設置為一端是相機一端是激光器，由于儀器精密原因可能會導致光心與旋轉軸無法重合，現在亟需研發一種可以通過旋轉軸標定來去除誤差的線結構光旋轉掃描的方法。

發明內容

本方法針對當前線結構光掃描采用平移橫向掃描，根據儀器移動不便時無法完成物體表面掃描的局限性，提出了基于激光三角法的旋轉水下物體三維重建的方法，該方法通過圍繞旋轉軸旋轉來旋轉掃描物體，并結合新提出的一種算法使得相機光心與旋轉軸通過標定完成重合。

基于線結構光旋轉掃描的水下三維重建的方法，其特征是包括以下步驟：

S1.水下相機參數標定

將相機(1)與激光器(2)分別通過支架(3)固定在轉軸(4)上，首先保持相機(1)與激光器(2)在拍攝過程中相對位置保持不變；然后從不同角度拍攝標定板，標定相機的內參、外參以及畸變參數；

S2.轉軸標定

進行轉軸標定，將相機坐標系下的物體表面三維坐標轉到轉軸坐標系；

(K1)固定標定板，相機繞轉軸旋轉，拍攝一組連續的照片；

(K2)求得相機光心在標定板坐標系下的三維坐標：

P ＝ R * Pw + T (1)

Pw ＝ R^-1(P - T) (2)

P表示相機光心在相機坐標系的三維坐標，Pw表示相機光心在標定板坐標系下的三維坐標；R表示旋轉矩陣，T表示平移矩陣，均通過S1的標定而得到；因此公式1即Pw經過旋轉、平移之后得到P；

因為相機光心在相機坐標系下的坐標為原點，所以公式2進一步表示為公式3：

Pw ＝ R^-1 * (-T) (3)