[发明专利]基于差异液位图像序列的水下三维重建系统及其方法

说明书

本发明公开了一种基于差异液位图像序列的水下三维重建系统及其方法。该系统包括：摄像机、计算机系统、主水箱、液位差异测量装置、支架，该系统实施方法包括以下步骤：首先，采用单摄像机拍摄差异液位图像序列；其次，进行图像局部特征提取、匹配及误匹配剔除；再次，估计水平面在相机坐标系下的法向量方向，并计算图像特征点转换坐标；然后，对差异液位图像序列中各图像对应的水面距离进行标定；最后，进行稠密三维场景重建和优化。本发明仅需要一个照相机进行数据采集，且无需额外水下标识物或特殊标定设备，相对于一般水下三维重建方法和系统具有操作便捷、成本低廉、重建快速的优势，适用于任何折射系数已知的透明液体环境。

技术领域

本发明属于计算机视觉技术领域，特别涉及一种基于差异液位图像序列的水下三维重建系统及其方法。

背景技术

目前，绝大多数基于图像的三维重建方法和系统均针对陆上环境，高精度的水下三维重建方法直到最近几年才逐渐在计算机视觉领域引起重视。基于图像的水下三维重建面临的主要挑战是：拍摄水下环境的过程中，光线需要穿过水、空气等不同的介质，由于不同介质的折射率(refractive index)不同，光线会在介质交界面产生折射现象，从而导致成像折射变形(refractive distortion)。普通图像三维重建方法采用透视相机模型，由于该模型假设光线沿直线传播，因此透视相机模型在有折射现象发生的成像系统中不再有效。

一种简单的水下三维重建方法是忽略折射现象，或使用近似模型来补偿折射变形，例如：焦距调节模型、镜头径向畸变模型，以及兼具焦距调节和镜头畸变的近似模型。然而，由于折射变形的高度非线性和场景结构依赖性，忽略折射或采用近似模型来补偿折射理论上都无法消除折射对三维重建的影响。由于折射变形依赖于物体的深度，从理论上来说无法使用任何图像空间(image space)变形模型来描述，使用透视相机模型将导致较大的相机定标误差和三维重建误差。

另一种更加精确的方法是利用符合光学原理的正确的折射相机模型(RefractiveCameraModel)来显式的对折射建模。Chari和Sturm(Chari V,Sturm P.Multiple-viewgeometry of the refractive plane[C].In Proceedings of BritishMachine VisionConference(BMVC).2009:1–11.)分析了位于单个折射介质同侧的两个相机之间的几何关系，并从理论上证实了折射基本矩阵、折射单应矩阵等几何量的存在。然而，由于折射相机模型下的几何量估计仍然是一个极具挑战的课题，因此上述文献并没有给出上述理论结果的实际应用。Chang和Chen(Chang Y,Chen T.Multi-view 3D reconstruction for scenesunder the refractive plane withknown vertical direction[C].In Proceedings ofIEEE International Conference on ComputerVision(ICCV).2011:351–358.)提出一个水下三维重建方法，该方法适用于单折射界面(refractive interface)的情形。在该方法中，折射现象被显式的表达为场景深度的函数，因此是一个精确的折射相机模型。该水下三维重建方法方法的局限性在于该方法是建立在已知相机两个旋转参数的基础上的，这两个参数需要诸如惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)的外部硬件获得；此外，该方法还假设折射界面的法向量已知。Agrawal等(Agrawal A,Ramalingam S,Taguchi Y,etal.A theory of multi-layer flat refractive geometry[C].In Proceedings of IEEEConference on Computer Vision and Pattern Recognition(CVPR).2012:3346–3353.)的研究表明折射几何在本质上与轴向相机(Axial Camera)相同，并提出了一个利用平面定标物体对这种系统进行定标的方法。Sedlazeck和Koch(Sedlazeck A,Koch R.Calibrationof housing parameters forunderwater stereo-camera rigs[C].In Proceedings ofBritish Machine Vision Conference(BMVC).2011:1–11.)提出一种水下双目立体相机外壳参数标定方法，该方法的主要思想是最小化三维场景点在外部折射界面的虚拟透视投影误差，该方法的主要缺点是其优化过程非常耗时，在普通PC上的运行时间长达3小时之久。