[发明专利]水下高精度三维重建装置及方法

说明书

水下高精度三维重建装置及方法，包括一个棱柱形框架，其顶部设有一条形滑轨，滑轨上安装有可水平调节位置的高清相机，滑轨下方有两个激光器分别固定在其中一个棱柱上；在高清相机下方有八个射灯固定在棱柱形框架上；棱柱形框架顶部的各个顶点经一根支架连接在法兰底部，法兰顶部有一承重终端；承重终端顶端连接有主脐带缆、底部有分线电缆。其方法包括标定激光器、标定入射光方向、装置入海、采集目标物体激光图像与不同光照方向下的图像，图像传到水上后，通过结构光和光度立体技术进行快速的高精度三维重建。本发明可实现多种水下重建方法，将光度立体技术与结构光方法的优势结合在一起，使重建结果更为精确。

技术领域

本发明涉及一种水下高精度三维重建装置及方法，运用了结构光及光度立体方法，属于水下视觉技术领域。

背景技术

目前，国内外常用的水下三维重建技术包括声学成像方法和光学成像方法。声学成像方法主要采用声纳系统，可以在大尺度范围内估计目标的深度信息，但精确度较差，难以满足小尺度的重建需求；光学成像方法如结构光、光度立体、双目视觉、多视角几何重建技术等，可以较为精准地还原物体的三维结构，其难点在于相对于水下声波，光线传播的模型更加复杂，折射、吸收、散射等因素增大了由采集图像直接进行重建的难度。

现有的水下三维重建装置大多用于人造小场景的重建，且对水下光照模型的分析较为简单，如应用于深海场景，硬件上对设备的水密、耐压等提出更高要求，算法上也要对复杂环境如浑浊水质的散射影响做出更合理的矫正优化。

发明内容

为了满足水下探测研究需求，本发明提供了一种水下高精度三维重建装置及方法，作为一种深海(100米水深)定点三维重建设备，能够将采集的图像实时传输到水上电脑控制端，对图像进行去散射处理，运用结构光和光度立体技术对水下目标物体进行高精度三维重建。

该装置主体部分外形为圆柱形框架结构；其上端为类圆锥状的钢架，汇集主体采集设备的电源线缆及数据传输线缆，线缆设计长度达100米，用于最深100米水深的探测；主体下部是一个可拆卸的钢架支撑，装有滑轮方面运输，同时考虑到海底地况复杂多样，设计为向外扩张的支架状防止设备歪斜翻转。

图像采集装置位于主体的上部，两个出于相同高度的相机固定于钢条横梁上，其间距可调。相机采用工业相机精通，经过专业密封，通过水密及高压测试，可用于深海场景的高精度拍摄。两个相机组成双目图像采集系统，视需求完成单目或双目的图像采集。

激光发射器经过专业密封，固定于主体侧面的钢架上，其发射的激光为“一”字型，入射角度可以自由调节，一般调节使激光线射到图像采集平面的中部，采用两个激光器时则打到底面的光线相互垂直。激光发射器要求发射功率较高，以适应水下吸收散射效应造成的光线能量的衰减。

人造光源部分由八个防水射灯组成，为了适应光度立体技术的求解方法，所选射灯射出的光线可近似看作平行光，光照均匀。八个射灯分别固定在主体钢架外侧，形成一个环形，环形内彼此间隔角度为45度，每个灯垂直方向的倾角可调。

本发明的重建方法主要包括：

1、图像去后向散射处理

光线在水中传播过程中，由于吸收和散射的影响，光线经物体表面反射到相机过程中能量衰减明显，其中后向散射的存在严重影响成像质量。光线散射指光线传播过程中射到介质小颗粒上改变光线传播方向的现象，而后向散射指改变后的传播方向与初始传播方向夹角大于90度的散射。采集到的图像中混杂了背向散射的影响，它是传播路径光照打到小颗粒散射回相机的能量的叠加。由于背向散射的成像分布近似服从二元二次函数，通过对图像均匀分块，在每个分块中选取最暗点近似背向散射部分对应的光照，对所有分块的最暗点分布用随机抽样一致(RANSAC)方法迭代拟合出最合理的背向散射函数，用它可以求得个像素点对应的背向散射部分，最后在原图像的基础上将背向散射部分减去，得到图像去后向散射处理的结果。

2、相机参数、激光及光照方向的标定