[发明专利]一种水下相机标定方法

说明书

本发明提供了一种水下相机标定方法，水下相机系统成像时光线按水‑隔水平面‑空气‑相机透镜的顺序对水下成像的物理过程进行数学建模。空气和水中相机参数的不同之处在于，由于折射平面的存在，导致空气中的成像模型不能适用于水中，需要对水中相机的成像模型进行建模。本发明公开了一种高精度的水下相机标定方法，建立了水下折射成像模型，提出了一种基于Tsai氏标定算法的水下相机标定方法，能够准确计算出相机中心到折射平面的距离d及相机的内、外参数。本发明公开的水下相机标定算法能够广泛应用于水下探测和高精度水下物体测量中。

技术领域

本发明涉及基于视觉技术的水下探测和测量领域中，尤其涉及一种水下相机标定方法。

背景技术

作为海洋探测技术的一个重要工具，基于水下机器人的水下、深海探测正在被广泛使用。基于视觉技术的探测技术是其中最为重要的技术之一，在利用视觉技术的水下探测和测量中，由于水介质的存在，导致光线在进入相机时发生折射，在空气中的相机标定技术不能直接用于水下相机的标定。

由于折射现象的存在导致在水中的成像模型与空气中的不同，传统的相机标定算法如张氏标定，Tsai标定在水中不再适用。针对折射对成像的影响，国外学者有着不同的解决方法。首先是借助物理辅助的方法(Schechner Y Y,Karpel N.Recovery of UnderwaterVisibility and Structure by Polarization Analysis.IEEE Journal of OceanicEngineering,2005,30(3)：570-587)，该方法通过设计一个特殊的光学部件，该部件可以将相机的透镜成像中心转移到折射发生的平面处，即水下相机的防水外壳处，然后通过光学部件的特殊形状抵消发生的折射现象，但是由于该方法对光学部件的制作要求十分严格，由于工艺的限制，该方法很难很好的实现。

第二类方法是采用辅助平面的方法进行相机标定(Narasimhan S G,Nayar SK.Structured light methods for underwater imaging:light stripe scanning andphotometric stereo,OCEANS,2005.Proceedings of MTS/IEEE.2005:2610-2617)，通过增加一个辅助的标定板来确定光线入射前的方向向量，利用这一增加的已知量来对相机参数进行标定，由于该方法需要一个特殊的标定板，因此操作十分复杂。

第三类方法是把折射存在当成是焦距变化(Ferreira R,Costeira J P,Santos JA.Stereo Reconstruction of a Submerged Scene.Pattern Recognition&ImageAnalysis,2005,3522:102-109.)，因为入射光线的延长线最终会与摄像机的光轴相交于一点，假设入射光线延长线与成像平面的交点与折射后光线鱼光轴的交点相同，相机成像平面就需要后移也就是相当于拉长了摄像机焦距，根据Snell定律可以计算到关于入射角度的摄像机焦距变化，因为该变化与不同图像点的入射角度相关，不能将其当作线性的变化，所以该办法仍然会带来一定的误差，光线的入射角度越大，其在成像平面的成像点就会产生更大的误差。

第四类方法采用近似的方法把水下的折射造成的误差看做镜头的畸变(ShortisM R,Harvey E S.Design and Calibration of An Underwater Stereo-video Systemfor the Monitoring of Marine Fauna Populations.International ArchivesPhotogrammetry and Remote Sensing,32(5,1998:792--799.)，该方法把折射产生的像素偏移误差近似看做是由镜头本身畸变产生的误差，通过标定出摄像机的畸变参数并对图像进行矫正操作来消除折射带来的影响。