[发明专利]一种基于声呐和视觉图像拼接的水下三维地图构建方法

说明书

本发明提出一种基于声呐和视觉图像拼接的水下三维地图构建方法，包括：利用搭载有机械扫描测距声呐和单目相机的水下机器人同时对水下环境进行视觉图像和声呐测距数据采集；关联声呐测距数据与视觉成像数据，对每帧图像进行扩维，在二维地形图像的基础上，加入声呐测距数据构建三维立体地图；采用基于点线特征和网格的局部单应矩阵模型的图像拼接算法，进行多帧图像扩展拼接，实现三维全景地图合成。本发明采用多传感器构建水下地图，互补性强，克服了使用广角相机存在边缘畸变严重的问题，构建具有高可视化效果和准确度的三维全景地图。

技术领域

本发明属于水下机器人技术领域，尤其涉及一种基于声呐和视觉图像拼接的水下三维地图构建方法。

背景技术

随着海洋资源越来越为人类所需要，海洋开发需求的日益增大，在许多广袤的海域和复杂水下环境中，人类无法到达，需要依靠水下机器人完成水下环境的探测及作业任务。由于水下环境的复杂性，雷达，激光传感器在水中的应用被极大的限制，电磁波信号在水下环境中会快速衰减，无法进行有效侦测。视觉成像在水下环境探测中扮演重要作用，可代替人类实现水下地形的观察和记录，声波在水中可以进行远距离传输、观测和测量，具有得天独厚的条件优势。水下机器人作业时，如果无法获知环境信息，极易与地形或障碍物发生碰撞。构建有效的实时水下环境地图，对机器人的定位的路径规划水下作业极为重要。水下机器人的实时定位和地图构建仍是当前研究重点和难点，迫切需要一种有效和稳定的水下地图构建方法。

现有技术中，公开号为CN111292418A的专利申请公开了一种浑浊水体三维地图构建方法，该方法以水下机器人为载体，利用单目相机对浑浊水体环境进行图像采集，并利用图像增强算法生成增强图像，进而完成水下三维地图的构建。该方案仅仅采用相机构建水下地图，在浑浊水体中相机的视距有限，可视范围小，适应性不强，无法构建出高精度三维地图。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种适应性强，精准度高的基于声呐和视觉图像拼接的水下三维地图构建方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：

一种基于声呐和视觉图像拼接融合的水下三维地图构建方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：利用搭载有机械扫描测距声呐和单目相机的水下机器人同时对水下环境进行视觉图像和声呐测距数据采集；

步骤2：关联声呐测距数据与单帧图片成像数据，对每帧图像进行扩维，在二维地形图像的基础上，结合声呐探测数据构建三维立体地图；其中，关联声呐测距数据与单帧图片成像数据，对每帧图像进行扩维，包括：采用双线性插值法，对非测距采样点的测距值进行近似，对于图像边缘的非采样点，以距离该点最近的采样点的测距值作为其测距值；

步骤3：采用基于点线特征融合的图像拼接算法，进行多帧图像扩展拼接，实现三维全景地图合成。

进一步地，利用搭载有机械扫描测距声呐和单目相机的水下机器人同时对水下环境进行视觉图像和声呐测距数据采集之前，还包括：

对声呐与相机参数设定，包括：根据单目相机的水平视场角和垂直视场角设定声呐水平扫描次数n_l和垂直扫描次数n_v，声呐水平扫描间隔角为垂直扫描间隔角为单帧成像时声呐扫描测距总次数n＝n_l*n_v；

对相机视场与声呐扫描范围标定，包括：调整声呐在水平角度为垂直角度为2θ_v的矩形范围内扫描，使得声呐扫描范围中心点与相机成像中心点所在位置重合，保证声呐扫描区域与相机成像区域一致；利用使相机成像具有n_l*n_v个同样大小栅格的标定板，计算每个θ_(j，k)值：