[发明专利]一种浑浊水体三维地图构建方法

权利要求书

1.一种浑浊水体三维地图构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：利用单目相机对浑浊水体下的环境进行图像数据采集；

步骤二：利用浑浊水体图像增强算法进行处理生成增强图像；

步骤三：采用水下三维地图构建算法对增强图像进行图像跟踪、深度估计和地图更新。

2.根据权利要求1所述的一种浑浊水体三维地图构建方法，其特征在于，所述步骤二包括以下子步骤：

1)建立水下图像Ip(x)的数学模型，如式(1)所示

其中x代表像素，d(x)表示场景深度，β表示衰减系数，E_A是太阳光透过水的表面传输到水下的光照强度，E_L是来自于人造光的光照强度,太阳光和人造光的光照强度由表面反射率ρ(x)来衡量，J(x)表示人造光和自然光照强度的线性融合式，h_psf(x)是以点扩散函数为内核去除图像模糊的函数，*代表卷积运算，·表示矩阵点乘，而N代表的是随机噪声；

2)利用导向滤波器去除图像噪声，滤波过程如下：

设图像Ip(x)的线性变换如下：

其中ω(x)是以像素点x为中心，r为半径的邻域，r100，a_x和b_x是窗口ω(x)内的系数常量，可通过式(3)和(4)计算得到；

其中τ为正则化参数，用来防止系数a_x过大，IO_i为待滤波的原始图像，μ_x和σ_x为局部窗口ω(x)内引导图像I的灰度均值和方差，为原始图像的灰度均值，|ω|为窗口像素的总数；再对不同窗口求出的结果再取均值：

得到增强图像GIp(x)，其数学模型为

进一步调整可得：

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

3)利用朗伯余弦定律与Light-emitting diode照明模型，估计人造光强度：

根据光源的辐射角度φ和光源相对于目标的入射角度ψ，光源到达成像表面的每一个像素点处的光照强度表示为

其中光源的光照强度为U₀，光源的辐射角度为φ，光源相对于目标的入射角度为ψ，光源到目标平面的距离为l(x)，m＝-ln2/ln(cos0.5φ)，给出了朗伯余弦执行的顺序；

4)用优化滤波算法，弥补光在水下传输过程所造成的损失；

基于广义高斯分布，即GGD，generalized Gaussian distribution，连续随机变量的概率密度函数

其中，且z＞0是伽玛函数，p是GGD的形状参数，而σ是GGD的标准差；

设前向散射参数为q，入射角为ψ，采用Henyey Greenstein相位函数作为粒子的相位函数：

水体的浑浊度为T，相机接收处到粒子的距离为d,水中介质的衰减系数为β，则：

T＝β·d (10)

水中多重散射公式为：

结合式(8)、(9)、(10)与(11),PSF处理函数可利用GDD近似为如下形式：

其中Γ(.)为伽马函数，即x＞0；μ为均值，σ为标准差，而是形状参数，

根据实际光学实验，可得浑浊度T与形状参数p、前向散射参数q的关系

将式(12)拓展到二维坐标系中，将上述函数关系式带入，可得：

将(13)代入(8)解得最后的图像处理结果J(x)，利用对比度受限的自适用直方图均衡化算法对J(x)进行处理，处理结果即为最终的增强图像。

3.根据权利要求1所述的一种浑浊水体三维地图构建方法，其特征在于，所述步骤三包括以下子步骤：

1)图像跟踪：单目相机移动过程中，对相机所获取的图像采用直接法跟踪，使用极限搜索与块匹配的方式来得到相机的旋转平移变换，进行块匹配，提取关键帧；

然后根据摄像机的移动距离来判断关键帧的创建，并通过设置距离阈值以确定是否创建新的关键帧；如果相机移动的距离太大，距离现有的局部地图太远，则会从最近的跟踪图像中创建新的关键帧，并将相对距离和角度信息的加权组合值设为更新关键帧的标准：

2)深度估计：采用改进的三角测量法来初始化和计算像素点的深度信息，然后利用深度滤波器对其进行优化，降低几何误差和随机噪声带来的干扰；

3)地图更新：根据图像跟踪和深度数据估计得到的三维空间点信息，采用基于关键帧的方法来对地图进行更新和拓展，并利用3D相似变换来检测地图的闭环，从而得到全局一致性地图。