[发明专利]一种基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法

说明书

本发明提出了一种基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法。属于水下计算机视觉研究领域，典型的应用是水下物体的三维重建。本方法使用基于光场多层折射理论计算得到左、右相机的方向信息图像和位置图像，然后基于该方向信息图像可直接利用空气中的立体匹配方法得到视差图。最后利用视差图确定左、右方向信息图像上的对应点，并结合对应坐标的位置图像数据，计算匹配点的三维坐标。按此方法遍历整个图像即可得到整个匹配区域的点云图。本发明不仅实现了水下物体的三维重建，而且保证在较高精度的前提下显著提高计算效率。

技术领域

本发明属于水下计算机视觉研究领域，涉及一种基于多层折射图像模型的水下三维重建方法，具体是一种水下光场模型中多层折射系统中的双目立体视觉三维重建方法。

背景技术

随着科技的进步，人类对于海洋资源的开采与利用有了新的认知，各个国家也都在不遗余力的发展水下探测技术。水下三维重建技术作为探测深水湖泊和海洋的重要技术手段，可用于水下地形扫描探测、海底考古、水下慢移动生物的体型数据获取。目前水下探测主要以声呐为主要探测技术，但该方法精度较低，不能满足水下精确探测的需求。而使用视觉探测不仅可直观地观察到水下环境，而且可获得更准确的三维信息。

虽然目前空气中的三维重建技术已较为成熟，但精密的光学仪器在水下环境中的应用因成像环境特殊而存在很多难点，这时的摄像机往往需要加装防水罩，因此除了原本水对光的吸收和散射造成成像质量的下降外，光线通过水、防水罩玻璃和空气的交界面处还发生了折射，从而导致空气中的极线约束模型不再适用，即原本空气中的三维重建方法失效。

林俊义等人在其论文“一种基于双目立体视觉的激光线扫描技术[J].机械设计与制造，2011(8):200-202.”提出一种基于极限约束方法进行三维重建的方法。它使用传统的相机模型来描述水下折射环境，用畸变参数来矫正折射所带来的偏差。但该方法并不准确，并且在不同水域都需要进行视场范围内的标定，且标定过程中相机和标定板之间必须相对静止，因此实际操作性较差。

中国专利CN201410195345.7提出了一种基于线结构光的水下目标三维重建方法。该方法利用单相机和线结构光组合的方法进行三维重建，利用在水下不同深度获得的标校数据对获得图像中的激光条纹中心进行矫正位置以消除折射带来的影响。虽然该方法相较于传统小孔成像模型精度高，但该方法在不同深度的水中都需要用标定板进行标校，并且标校过程中需要在视场不同深度内拍摄标校图片，但在水下较难实现，因此其实际可操作性较差。

发明内容

本发明为解决上述问题，提出了一种基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法。本方法在保证较高精度的前提下，不仅具有较高的实际可操作性，同时提高了算法的计算效率。

为了达到上述目的，本发明具体采用下述技术方案：

一种基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法，包括以下步骤：

步骤1：计算左、右相机的方向信息图像，即dir_L和dir_R；

步骤2：计算对应像素的位置图像，即pos_L和pos_R；

步骤3：基于左、右相机的方向信息图像dir_L和dir_R，利用空气中的匹配算法计算视差图disp，根据此视差图用于确定左、右方向信息图像上的坐标对应点；

步骤4：根据以上计算出来的方向信息图像和位置图像计算匹配点的三维坐标。

由于采用了上述解决方案，本发明具有如下显而易见的优点：

1、精度高。采用光场的多层折射坐标系描述光线，比传统的畸变矫正精度要高很多，不存在系统误差。

2、计算得到的左右方向图像可直接利用空气中的匹配算法，可移植性好。

3、减小了计算量，计算速度更快，有效提高了系统的执行效率。