[发明专利]基于线结构光的水下目标三维重建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水下目标三维重建技术，尤其涉及一种基于线结构光的水下目标三维重建方法。

背景技术

随着科学技术的高速发展，海洋资源开发、水下工程建设和水下军事应用等领域的不断拓展，水下探测技术的重要性日益显现。水下探测技术也逐渐从二维图像探测技术朝着三维目标及场景重建技术不断发展。水下目标三维重建技术通过对光成像技术、图像处理技术、电子与通信技术和计算机视觉技术等多种先进技术的综合利用，可以为人类提供合适的观察通道，将水下被探测目标的外型显示为人眼可判断的图像或视频信息。

目前，水下目标探测技术主要是在声学测量技术的基础上发展而来的声纳技术。它利用超声波测距的方法扫描被测目标，得到目标与声学测量设备的距离，从而进行水下目标的三维重建。但是，由于超声波扫描的范围不宜控制、远距离测量精度偏低，因此声纳技术难以满足高精度水下目标的三维探测和重构要求。

与声纳技术相比，基于结构光扫描的目标三维重建技术在图像的分辨率、直观性、可读性等方面都有着明显的优势。该技术是从摄像机拍摄的二维图像信息中恢复出物体的三维信息，目前已经在陆地上得到了很好的应用。但是，由于水下地质情况特殊，水中悬浮物、海水对光的吸收和散射、非均匀光场等问题的存在，使得陆上应用的结构光扫描的目标三维重建技术在水下应用时效果不良。

中国专利CN102519440A公开了一种海洋测绘水下目标三维可视化处理系统。该处理系统由水下目标获取设备、水下目标处理工作站和水下目标三维可视化客户端构成，水下目标获取设备、水下目标处理工作站和水下目标三维可视化客户端通过局域网连接在一起，完成水下目标数据采集、数据处理和数据三维可视化处理功能。该发明实现了水下目标数据的采集、处理、可视化录入、编辑，解决了水下目标从数据获取到数据处理以及三维可视化表达、数据更新、自动查询定位的系统关键技术难题，提高了数据管理效率和质量。但是，此专利采用声纳设备和多波束探测设备进行数据采集，仍然无法避免水下特殊情况对三维数据精度、探测范围的影响，

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种基于线结构光的水下目标三维重建方法，该方法克服了声纳水下目标探测技术的缺点，能够实现水下远距离、高精度、实时目标的三维探测。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于线结构光的水下目标三维重建方法，按以下步骤顺序进行：

步骤a、利用水下结构光测量系统完成对水下目标三维信息的采集，获取包含有深度信息的水下二维图像；

步骤b、对水下二维图像进行增强处理，提高二维图像的清晰度和信噪比；

步骤c、对步骤b得到的二维图像进行降噪处理，滤除二维图像中除了激光条纹外的噪声点；

步骤d、利用梯度场构造偏微分方程模型的方法对步骤c得到的二维图像进行图像边缘检测和图像形态处理，提取出激光条纹的中心；

步骤e、利用摄像机在水下不同深度获得的标校数据对步骤d得到的二维图像激光条纹的中心位置进行标校；

步骤f、通过光学几何技术，从步骤e得到的二维图像中获取水下目标的三维坐标；

步骤g、利用计算机高级编程语言，对步骤f采集到的三维坐标进行重建，即得到可视化的水下目标三维信息。

所述步骤a中，所述水下结构光测量系统由结构光源激光器、摄像机、移动平台、图像处理及目标三维重建系统组成；其中，结构光源激光器和摄像机分别固定在移动平台上，结构光源激光器发射的线性激光所形成的平面与移动平台的移动方向垂直、与摄像机镜头的中心光轴之间的夹角在30°～60°之间。

所述步骤a中水下二维图像的获取方法为：结构光源激光器发射出的线性激光在目标物体表面上形成一条明亮的激光条纹，当目标物体表面有深度或高度的信息变化时，形成的激光条纹会呈现为一条连续起伏的条纹或多条间断的条纹；在结构光源激光器发射激光的同时，打开摄像机的快门接受光信号、拍摄激光条纹，得到包含有深度信息的水下二维图像，传输至图像处理及目标三维重建系统进行后续处理。

所述步骤b中，图像增强处理包括以下步骤①～步骤⑥：

步骤①、将摄像机拍摄到的水下二维图像进行灰度化处理；

步骤②、将灰度值相同的像点进行累加，并存放至一个数组HD中，数组的维数与图像灰度值的范围相同，Length(HD)＝图像灰度值的范围；

数组中的第i个数值n_i为图像中灰度为i的像点的个数；

步骤③、计算原始水下二维图像直方图，计算公式为：