[发明专利]基于光场多层折射模型的水下折射率自标定方法

说明书

本发明提出一种基于光场多层折射模型的水下折射率自标定方法。在水下拍摄环境中，成像光线依次通过水、玻璃、空气这三种介质。在已知相机内参，空气和玻璃的折射率、厚度以及立体视觉系统相对姿态的情况下，本发明通过在测定海域拍摄一组清晰的标定板图片，根据物点P在左、右相机两约束平面（界面法线和入射光线决定的平面）所相交的直线上这一约束，从而测定拍摄海域海水折射率μ。本发明公开的基于光场多层折射模型的水下折射率自标定方法可广泛应用于高精度水下测距及水下三维重建中。

技术领域

本发明涉及水下标定技术领域，尤其涉及一种基于光场多层折射模型的水下折射率自标定方法。

背景技术

水的折射率对于水下测距、三维重建有着重要意义。水下折射率随温度的升高而减小，随盐度的增大而增大。对于一个测量深度为2-3m的仪器，当折射率变化千分之一，则在3m处误差就达到3mm。因此，高精度的水下折射率标定是一个重要科学问题。

测量折射率的方法有很多种，宋师霞等人在其论文“用迈克尔干涉仪测水的折射率[J].山东工业技术，2015(21):255-255.”中提出了一种通过测出迈克尔逊干涉仪的动镜在水中的移动量及其相应的干涉条纹变化数进而测量水折射率的方法；李强等人在其论文“毛细管成像法精确测量微量液体的折射率[J].光学精密工程，2012，20(7):1440-1446.”中以充入透明液体的毛细管构成柱透镜，基于共轴球面光学系统的成像原理，对光学成像系统的放大率进行单一参数的测量，进而计算出待测液体的折射率。

上述这些用于测量折射率的方法虽然精度较高，但其实验装置搭建都比较复杂，设备昂贵，对操作者的专业性具有一定要求并且仅适用于实验室环境下的测量，在运用到水下甚至深海环境进行测量时，实际操作性比较低。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于光场多层折射模型的水下折射率自标定方法。

为达此目的，本发明采用如下技术方案：

在水下拍摄环境中，成像光线依次通过水、玻璃、空气这三种介质。在已知相机内参，空气和玻璃的折射率、厚度以及立体视觉系统相对姿态的情况下，通过在测定海域拍摄一组清晰的标定板图片，根据物点P在左、右相机两约束平面(界面法线和入射光线决定的平面)所相交的直线上这一约束，从而测定拍摄海域海水折射率μ。

一种基于光场多层折射立体模型的水下折射率自标定方法，操作步骤如下：

步骤一：在左、右相机拍得的清晰标定板图片上，提取得到相对应的一组像点，左像点m_l，右像点m_r；

步骤二：根据光线的光场表示方法，分别计算对于左、右相机像点经过多层界面传播和折射后到达水中的入射光线并转换成光场矢量q_l，q_r；

步骤三：将右相机坐标系下矢量和点转换到左相机坐标系：q_r'＝R_{l_r}×q_r+t_{l_r}，对于右多层折射坐标系的z轴同理得：z_r'＝R_{l_r}×z_r，o_r'＝t_{l_r}；

步骤四：根据平面法线和点约束，分别求出左、右相机约束平面π_l、π_r；左相机约束平面表示为：平面法线平面上一点o_l＝[0 0 0]；右相机约束平面表示为：平面法线平面上一点o_r'＝t_{l_r}；

步骤五：两个约束平面相交于一条直线，由折射定律知，物点P在该直线上；