[发明专利]一种水下动态场景光学混合三维成像方法

说明书

本发明涉及一种水下动态场景光学混合三维成像方法，属于三维成像技术领域。利用线激光单次投射扫描建立被测量区域的全局控制点，然后利用这些点建立全局控制网将被测量区域划分为若干子区，对每个子区分别采用双目视觉技术进行三维重建，最后通过全局控制网将测得的局部子区三维点云拼接到一起实现大范围成像。本发明利用了线激光扫描单次测量快速、测量范围大以及双目视觉小范围测量精度高的优势，采用全局控制与局部扫描相结合的思想来提高大范围三维重建的精度，同时克服激光线扫描进行三维点云测量时需要相对移动，难以测量动态场景的缺陷。

技术领域

本发明涉及到一种水下动态场景光学混合三维成像方法，可广泛用于水下目标识别、水下管线及设备监测、水下生物研究、水下文物探测以及水下潜航器定位导航等领域。

背景技术

随着各国对海洋探索研究和资源开发的重视，水下三维成像已成为国内外海洋探测研究的热点。研究发现，声纳探测范围大，但存在分辨率低、边缘不清晰等局限；激光线扫描可以提高分辨率，但测量时需要不断移动、不适合动态场景探测；双目视觉近年发展迅速，测量精度高，然而只适合小范围测量。

为满足水下动态场景近距离高精度三维成像的要求，本发明将线激光扫描法和双目视觉方法相结合，提出一种水下动态场景的光学混合三维成像方法，以克服常用水下三维成像方法的局限，对于水下无人潜航器的三维成像感知具有直接应用价值，并可以与探测距离更远(＞10m距离)的声学成像手段相互补充，对于提升我国水下信息三维感知能力具有重要意义。

发明内容

要解决的技术问题

为解决水下动态场景的高精度三维成像的难题，本发明提供一种水下动态场景的光学混合三维成像方法。

技术方案

一种水下动态场景光学混合三维成像方法，其特征在于包括1个多线束激光器、N个CCD相机和1个控制器，所述的N个CCD相机等间距排布，N个CCD相机和多线束激光器均与控制器连接，控制器对其进行供电和控制，所述的多线束激光器和距离其最远的CCD相机组成线激光三维扫描系统，两两相邻的CCD相机组成双目视觉系统；步骤如下：

步骤1：多线激光测量全局点

采用多线激光等间距覆盖测量区域扫描一次，将得到的三维点云作为全局控制点；

步骤2：被测区域划分

根据全局控制点将被测区域划分为N-1个子区；

步骤3：双目视觉重建子区点云

采用各个双目视觉系统分别对N-1个子区进行测量，获得N-1幅局部三维点云；

步骤4：利用全局控制网将重建的各个分块子区的重建结果进行拼接

假设第i个分块区域与全局控制网有n个公共参考点，假设这些公共点在全局坐标系下的坐标值为而在分块局部坐标系下的坐标值为则局部坐标系相对于全局坐标系的旋转矩阵R_i和平移矩阵T_i可采用奇异值SVD分解法计算：

首先，求解坐标集合和的重心，即：

然后，引入三阶矩阵对H进行奇异值分解，可得：

H＝UΛV^T (2)

旋转矩阵R_i和平移矩阵T_i通过下式进行计算，则

求出旋转矩阵和平移矩阵后，即可将第i个分块区域中所有测量点的局部三维坐标P_i,s统一到全局坐标系下，得到其在全局坐标系下的坐标值P_i,g为：