[发明专利]基于主动立体全景视觉的河道宽度测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光器、全方位视觉、GPS以及计算机视觉技术在河道宽度实时测量方面的应用，属于数字摄像测量技术。

背景技术

河道测量工作是一项长期而重要的基础工作。目前，在河道的测量手段还相对落后，存在着测量劳动强度大、效率低、测量速度慢、精度低等问题，不能满足当前河道开发治理、防洪决策的需要。迫切需要采用新技术新方法和采用先进的仪器设备。近年来在河道的深度实时测量已有所突破，在测量船上安置一个GPS系统和声纳水深探测器，通过测量船的航行实时得到船舶的位置以及在该位置情况下的水深；但是仅仅获得水深信息对河道截面测量来说还是不够的，河道截面测量需要河道的深度信息、位置信息以及宽度信息，通过这些信息组合加工才能完成河道的实时截面测量。

GPS(全球定位系统)是继子午卫星导航系统之后，美国政府推出的第二代卫星定位系统。运用GPS进行高精度动态测量已成为国内外的一个重要研究方向。这方面的应用主要有：无地面控制的空中三角测量、航空重力测量、用活动的地面车辆绘制重力向量图、海上三维地震测量和高精度海洋测量。为了提高GPS测量的精度，动态差分定位愈来愈引起人们的重视。动态差分要比坐标差分严密且效果更好。GPS差分的高精度潜能还在于载波相位的应用，相位与伪距相结合的差分方法能够达到0.5-1m的精度。这样的定位精度已经基本上满足了测量船舶的定位要求。

目前市场上的水深测量设备采用Odom公司的EchotracDF3200 MKII精密双频声纳测深仪，GPS定位采用徕卡S530，并配置相应的测量软件；在测量船中部船舷架设测深仪器换能器探头，将测量仪与GPS等其它测量设备与笔记本电脑相连接，打开水深测量软件，设置好相应的连接参数，就能进行在线的河道水深测量。

对于河道的宽度实时测量，采用数字摄像测量技术是一个发展趋势。其核心就是采用基于计算机视觉的双目立体视觉三维测量与立体重构技术对河道边缘处进行深度测量；类似生物的两眼，从两眼(两个视点)来观察同一河道边缘点，获取河道边缘点的深度信息，依此估算出河道的宽度；计算机立体视觉测量是以获取在不同视角下的感知图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差、即视差，来获取景物的三维信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的。

立体视觉测量中的关键是要实现同一被测物体在不同角度观测的立体匹配，所谓的立体匹配是指根据对所选特征的计算，建立特征之间的对应关系，将同一个空间物理点在不同图像中的映像点对应起来。立体匹配是立体视觉中最重要也是最困难的问题。当空间三维场景被投影为二维图像时，同一景物在不同视点下的图像会有很大不同，而且场景中的诸多因素，如光照条件，景物几何形状和物理特性、噪声干扰和畸变以及摄像机特性等，都被综合成单一的图像中的灰度值。因此，要准确地对包含了如此之多不利因素的图像进行无歧义的匹配，显然是十分困难的，至今这个问题还没有得到很好的解决。立体匹配的有效性有赖于三个问题的解决，即：选择正确的匹配特征，寻找特征间的本质属性及建立能正确匹配所选择特征的稳定算法。

立体视觉测量是模仿人类利用双目线索感知距离的方法，实现对三维信息的感知，在实现上采用三角测量的方法，运用两个摄像机对同一物点从不同位置成像，并进而从视差中计算出距离。但是目前立体视觉的技术还无法达到全方位的实时感知，在摄像机标定、特征提取和立体图像匹配方面还没有得到很好的解决。

目前双目立体视觉测量系统的一个局限性是焦距固定，由于一个固定的焦距只能在一定景深范围内清晰拍摄图像，因而限制了测试区域；标定技术还没有很好解决，立体视觉测量系统在各种运动中变化参数是不可避免的，比如运输过程中的震动、工作冲击等的影响，而实际中又不可能总是放几张棋盘在“眼前”进行标定，因而限制了许多应用；双目立体视觉测量系统还没有实现小型化、微型化，使得在机器人、航模等领域的应用受到限制；计算量大，难以进行实时处理，因而限制了实时目标辨识等应用；双目视觉的对应点匹配歧异性大，造成了匹配的误差，影响了匹配精度。目前三维立体视觉测量技术中最大难题是被动式的立体摄像测量中普遍存在的计算机资源消耗大、实时性能差、实用性不强、鲁棒性不高。通常解决该问题的一种有效的方法是采用结构光主动视觉技术，如点结构光、线结构光扫描法以及编码结构光法等。