[发明专利]基于双目结构光的水下三维重建方法

说明书

基于双目结构光的水下三维重建方法，包括相机参数标定，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，共采集80张图像；对获得的图像进行畸变矫正；图像进行二值化并解码到十进制，最终得到4张解码图；进行对应点匹配操作；之后进行水下双目立体成像。目前常用的方法有基于双目立体视觉的三维重建，该方法使用匹配算法进行特征点的匹配，而本方法使用结构光辅助这一物理技术来提高匹配的精度，使匹配所得的结果更加真实可靠，从而可以提高三维重建的精度，并且结合水下相机折射模型，将三维重建技术应用于水下场景。

技术领域

本发明属于计算机视觉水下三维重建技术领域，涉及一种基于双目结构光的水下三维重建方法。

背景技术

水下三维重建，是指通过摄像机及辅助设备获取水下物体的数据图像，根据摄像机拍摄的图像重建物体在水下环境中的三维信息的过程。水下三维重建具有广泛的应用领域，包括水下自主航行器导航、海底勘查、海洋环境监测以及水下目标识别等领域,具有重要的学术意义和实用价值。

双目结构光是一种基于结构光编解码与水下折射模型来实现高精度三维重建的技术。相比于双目立体视觉、激光扫描等技术，双目结构光既有双目视觉测量方面的理论基础，可以省去对投影仪复杂的标定，又有结构光来增加物体表面的几何特征信息，能够避免双目立体视觉中对弱纹理或重复纹理区域匹配困难的问题，从而较传统的双目立体视觉测量方法有更高的测量精度。但目前双目结构光多用于陆地，倘若应用于水下，势必面临折射与散射的问题。

而折射与散射会给测量精度带来误差，因此为了修正折射与散射导致的误差以获得高精度的三维重建结果，需要结合水下折射模型将双目结构光技术应用于水下，从而实现在使用结构光提高精度的同时可以对水下物体进行三维重建。

发明内容

本发明结合水下折射模型将双目结构光技术应用在水下，提出一种基于双目结构光的水下三维重建方法。

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：

为了准确的估计水下折射模型参数，需要借助已知位置的点，本方法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(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；如此，可得到水下折射模型参数h，n的代数表达式：

S2.图像采集：设备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；其中横向格雷码条纹可对图像行方向上的像素进行唯一编码，纵向格雷码条纹可对列方向上的像素进行唯一编码；格雷码条纹图是黑白条纹相间的图像，其中，黑色条纹，代表编码值为0，白色条纹，代表编码值为1；正格雷码条纹图用于对二维图像的行进行编码，逆格雷码条纹图与正格雷码条纹图编码值相反，即正格雷码条纹图中的黑色条纹变为白色条纹，白色条纹变为黑色条纹，逆格雷码条纹图用来辅助目标物体图像的二值化操作；