[发明专利]基于双目结构光的水下三维重建方法

权利要求书

1.基于双目结构光的水下三维重建方法，其特征是包括以下步骤：

S1.相机参数标定：首先设定相机焦距、光圈，使其在拍摄过程中保持不变；通过张正友标定法在空气中获得相机的内外参，以双目相机以左相机的光心为世界坐标系原点，标定得到右相机的外参；相机中心到保护壳玻璃的距离为h，光线在水介质中的折射率为n，通过棋盘格标定板在水中标定：

将水下相机和棋盘格标定板的位置相对固定，并分别在空气中和水中拍摄固定位置的同一标定板；

在空气中对水下相机标定时，可同时计算出棋盘格标定板上的角点在相机坐标系下的准确位置，将这些已知位置的角点作为水下折射模型参数标定的关键点；取位于相机光轴附近的两个角点P₁，P₂作为关键标定点，其中，两个关键标定点在相机坐标下的真实深度值为Z_r1，Z_r2，其已在空气中准确标定；已知两个关键标定点对应的虚拟深度值为Z_v1，Z_v2，其在X、Y轴方向上的坐标值与真实点相同，可通过针孔透视模型计算得到；可得到水下折射模型参数h，n的代数表达式：

S2.图像采集：采用双目工业相机和DLP投影光机，该投影光机可以投射一系列编码结构光的图像，本方法采用10位格雷码编码结构光，包括10张横向正格雷码，10张横向逆格雷码，10张纵向正格雷码，10张纵向逆格雷码，共40张；

图像采集步骤为：

将目标物体置于水中，使用投影光机按顺序向目标物体投射格雷码条纹图；

每投射一张格雷码条纹图，左右目相机就分别捕捉一张图像，双目相机依次捕捉投射出的一系列格雷码条纹图的目标物体图像，直至40张格雷码条纹图投射结束，关闭双目相机和投影光机；

在此过程中，因为本方法使用的是双目相机，左相机采集到40张带有格雷码条纹的目标物体图像，同时右相机也会采集到40张，因此共80张图像；

S3.图像矫正：对获得的图像进行畸变矫正；

S4.图像二值化：在采集到的80张物体图像数据中，首先对左相机采集到的图像进行二值化操作，即逐像素的比较拍到的正格雷码条纹图像——记图像的像素值为A，则A(i,j)表示图像中位置(i,j)处的像素值，与逆格雷码条纹图像——记图像的像素为B，则B(i,j)表示图像中位置(i,j)处的像素值的像素值大小，若A(i,j)B(i,j)则该正格雷码条纹的二值化图像S(i,j)＝1，若A(i,j)B(i,j)则S(i,j)＝0，若A(i,j)＝B(i,j)，表示该位置没有被投射到条纹图，属于无效区域，因此不对该像素位置进行二值化操作，从而将得到20张二值化操作后的图像——纵向正格雷码条纹图10张、横向正格雷码条纹图10张；

右相机图像也可得到20张二值化操作后的图像；

S5.解码：此步骤将二值化后的图像从二进制解码到十进制，最终得到4张解码图；

S6.对应点匹配：纵向格雷码条纹可以对图像列方向上的像素进行唯一编码，横向格雷码条纹图可以对图像行方向上的像素进行唯一编码，同时使用纵向、横向格雷码条纹即可对每一个像素进行唯一编码；

假设左目相机拍到的图像有像素点(p,q)，则左目图像纵向格雷码条纹解码图的值为DLZ(q)，左目图像横向格雷码条纹解码图的值为DLH(p)；右目相机拍得的图像像素点为(u，v)，右目图像纵向格雷码条纹解码图的值为DRZ(v)，右目图像横向格雷码条纹解码图的值为DRH(u)；

若DLZ(q)＝DRZ(v)，且DLH(p)＝DRH(u)，则(p,q)(u,v)为一对匹配像素点；

左目图像中的每个像素点有了唯一编码，右目图像中的每个像素也具有唯一编码，且在右目图像中有唯一像素点与左目图像对应，由此，可以确定左图像中目标物体的每个像素点所对应于右图像中目标物体的像素点；

S7.水下双目立体成像

步骤S6获得了左右目图像的所有匹配点，在双目立体成像过程中，本方法将世界坐标系原点建立在左相机的光心上，具体步骤如下：

7.1假设(x_l,y_l)为左目相机下的图像坐标系，(x_r,y_r)为右目相机下的图像坐标系，(x′_l,y′_l)为左目相机归一化平面上的图像坐标系，(x'_r,y'_r)为右目相机归一化平面上的图像坐标系，f为相机的焦距，则(x′_l,y′_l)、(x'_r,y'_r)如下

7.2根据水下折射模型进行修正，其中(X_L,Y_L,Z_L)为物体点在左目相机建立的世界坐标系下的三维坐标，(X_R,Y_R,Z_R)为物体点在右目相机建立的世界坐标系下的三维坐标，δ_l与δ_r为中间变量，则

7.3求解出物体点在左目相机建立的世界坐标系下的三维坐标

设(X_L,Y_L,Z_L)与(X_R,Y_R,Z_R)的旋转矩阵为R，平移矩阵为T，则且以左目相机光心建立的世界坐标系为世界坐标系，(X^W,Y^W,Z^W)＝(X_L,Y_L,Z_L)：

即

3*3旋转矩阵3*1平移矩阵展开得，

进一步展开可得

由此等式，可以解出(X^W,Y^W,Z^W),得到物体点在世界坐标系下的三维坐标。