[发明专利]一种视觉重建水槽内目标点空间坐标的方法

说明书

技术领域

本发明属于视觉测量技术领域，涉及到多介质下目标点的三维重建问题，特别涉及玻璃槽内水下目标点的空间坐标获取方法。

背景技术

在海洋工程模型试验中，往往需要对实验水槽中目标物体进行运动分析，如粒子示踪测速分析、水下泥沙淤积实验以及水中网箱的变形分析等，因而如何高精度、快速地获取目标点的坐标显得尤为重要。视觉测量技术通过图像采集分析的方式重构目标的三维空间坐标信息，具有非接触、精度高、测量范围广等优点，可以很好地满足模型试验的要求。然而，目前使用视觉测量方法对目标体进行三维重构时，视觉系统与被测目标往往都处在同一介质环境下（如空气），而水槽实验时为了不对流体产生扰动，一般将视觉系统放置在玻璃水槽的外面，隔着玻璃观测水中目标物体的运动，因此被测目标与视觉系统之间除了空气这一介质外，还存在着玻璃介质与水介质。在这三种不同折射率介质的作用下，目标物原有的成像光路发生了改变，所以利用不同角度像点位置通过直线光路交汇的方式重构目标点的空间坐标会产生较大的误差。目前，针对这一问题所采取的解决方法有三种：

1)将摄像系统的光轴与水槽玻璃屏幕垂直，忽略折射影响。

2)在水下进行光学定标，将折射问题简化为成像畸变问题。

3)在实验水槽中放入折射率匹配液对折射光线进行校正。

方法1中利用垂直介质入射的光线光路不发生改变原理对接近法线方向的成像光线忽略其折射的影响。该方法的分析过程较为简单，仍使用视觉测量的三维重构公式，但是为了忽略折射影响而仅采用图像中心附近的成像区域，很大程度上缩小了测量范围，限制了该测量方法的应用范围。方法2虽然考虑了折射的影响，但通过修正成像畸变的方法来修正折射的影响效率较低，因为测量时目标物在水中的位置是不固定的，被测目标到摄像系统的距离是变化的，所以介质的厚度不同，因此若要准确修正成像畸变，就需要随着距离的变化而准确地变化畸变参数，而这一过程在实际实验过程中是较难做到的。另外，水下的光学定标在深水水槽中操作也较为困难。方法3常用于忽略玻璃影响而仅考虑水介质影响的情况下。这种方法采用了添加试剂的方法来提高测试精度，虽然在理论上可以很好解决折射影响，但是实际中很难这么操作，因为水槽实验都具有一定的规模，若整个水槽进行匹配的话则试剂用量较大，实验成本提高。另外，试剂的添加影响了水本身的流体力学特性，严重影响了实验的结果，加大了实验结果的分析难度。

综上所述，目前还没有一种视觉重构技术可以很好地解决实验水槽中目标点空间坐标的获取问题。

发明内容

针对水槽实验过程中介质折射对目标点重构的影响问题，本发明将光学折射规律与视觉测量原理相结合，提出一种视觉重建水槽内目标点空间坐标的方法。

本发明的技术方案如下：

一种视觉重建水槽内目标点空间坐标的方法，由两个摄像机；传输导线；计算机和实验水槽组成；两个摄像机固定在实验水槽外侧，透过玻璃水槽侧壁观测水下目标点，并通过传输导线与计算机连接；令成像光线从空气进入水槽侧壁时的折射率为n₁，从水槽侧壁进入水的折射率为n₂，水槽侧壁厚度为d，左摄像机光心到水槽侧壁的距离为h，左摄像机光心坐标(x₀,y₀,z₀)；成像光线（8）从空气到水槽侧壁的入射角为α，折射角为β；成像光线从水槽侧壁入射到水中时的折射角为γ，目标点P的空间坐标为(x,y,z)，其对应的重构后的虚假点P'的空间坐标为(x_w,y_w,z_w)，此时，x＝x_w，y＝y_w，而