[发明专利]一种水下测量的设备与水下测量方法

权利要求书

1.一种水下测量的设备，其特征在于：包括壳体，密封在壳体内的控制与分析单元、相机和四个激光器，且所述相机光轴方向和四个激光器所发激光的方向平行；

所述壳体上具有相机拍摄和四个激光器所发激光透出的透明区域；

所述控制与分析单元用于控制激光器发射激光，获取相机影像并分析目标物体的距离和二维尺寸；

所述相机用于获取目标区域中的激光光斑影像；

所述四个激光器用于在测量目标区域形成四个激光光斑；

所述测量步骤包括：

S100：数据准备

S110：控制与分析单元控制四个激光器发射激光，相机进行拍摄，控制与分析单元对拍摄的激光光斑图像进行光斑检测，具体描述如下：

S111：检测范围设定，根据光斑颜色进行阈值分割得到二值图像，将所得二值图像中轮廓的最小外接矩形即为检测范围；

S112：检测光斑位置确定，在检测范围内获取灰度最大的四个位置设为四个激光光斑所在位置；

S120：相机标定，在同样的水质环境中拍摄N张棋盘格图像，基于张正友棋盘格标定法标定水下相机，确定水下相机的内参矩阵mtx和畸变系数dst，如下所示：

dst＝[k1，k2，k3，p1，p2]＝[0.0909，-0.1621，0.0059，0.0016，0.1469] (2)

其中，等式(1)中u₀，v₀是图像坐标系原点在像素坐标系中的坐标，d_x和d_y分别是每个像素在图像平面x和y方向上的物理尺寸，f_x、f_y由f/d_x、f/d_y计算而来，f为焦距，等式(2)中k1，k2，k3为相机的径向畸变系数，p1，p2为相机的切向畸变系数；

S130：图像角度校正，对所述N张棋盘格图像中存在角度偏转的图像进行校正；

S140：数据集制作，在校正后的N张图像中，计算每张图像中四个激光光斑之间的像素数之和perimeter作为输入特征，相机离光斑所在平面的距离记为distance作为标签，获取N组数据对(perimeter，distance)构成的数据集作为训练集；

S200：距离测量

S210：基于S140制作的数据集，在perimeter和distance之间建立非线性映射关系，如等式(7)，将训练集中的训练样本输入到非线性映射关系中进行训练；

distance′＝a(perimeter)^b (7)

其中a、b为训练中需更新的参数，通过自动选择随机化种子进行初始化，训练过程通过调整a、b使distance′与distance的差距不断缩小，直至差距不再发生变化，训练结束；

S220：保存收敛的模型如等式(8)-等式(10)：

distance′＝a(perimeter)^b (8)

a＝374045.80867986963 (9)

b＝-1.3327215188298143 (10)

S300：测试图像距离测量，采用S110至S140中的方法对测试图像进行校正处理和特征提取，将获得的特征输入到S220保存的模型中，即可测量相机离测试图像中光斑平面的距离r_distance；

S400：目标尺寸测量

S410：目标物体的标记，在测试图像中标记目标物体的待测起点和终点，控制与分析单元通过颜色阈值法自动识别目标物体的待测起点和终点；

S420：根据等式(10)计算目标物体待测起点(x₁，y₁)和终点(x₂，y₂)之间的像素距离，即目标物体的像素尺寸；

S430：目标物体实际尺寸r_size计算，根据求得的相机焦距f＝mtx[1][1]、相机离测试图像中光斑平面的实际距离r_distance，目标物体的像素尺寸p_size，基于相机小孔成像原理中的三角形相似关系，可得到公式(11)；

可得目标物体的实际尺寸r_size：

r_size＝(r_distance*p_size)/f (12)。

2.如权利要求1所述的水下测量的设备，其特征在于：所述S130对所述N张棋盘格图像中存在角度偏转的图像进行校正的步骤包括：

S131：计算待校正图像的外参矩阵，通过光斑检测获得四点光斑的相对位置，然后将左上角的光斑映射到坐标原点，其余点同等变换，即获得四点光斑的世界坐标，世界坐标系和像素坐标系之间的转换关系如下：

其中Z_c为Z轴上的相机坐标值，M₁为相机的内参矩阵，M₂为相机的外参矩阵，由此可得，在已知Z_c、相机内参矩阵M₁、四点光斑的世界坐标(X_w，Y_w，Z_w)^T和像素坐标(u，v)^T时，可求得图像的外参矩阵M₂；

S132：计算单应性矩阵，等式(4)即为单应性矩阵：

S133：基于单应性矩阵对待校正图进行透视投影变换，根据等式(5)和等式(6)计算透视投影变换后的坐标(u′，v′)，(u，v)为变换前的像素坐标，对整张图进行变换操作，即可得到校正后的图；