[发明专利]一种水下目标精细三维感知方法

权利要求书

1.一种水下目标精细三维感知系统，其特征在于，包括点云重建相机、线激光、图片采集相机、泛光灯、刚性横杆、水下转台、嵌入式处理器；

点云重建相机，用于采集目标的点云重建用图；

线激光，用于投射线激光；

图片采集相机，用于采集目标的彩色图片；

泛光灯，用于为图片采集相机提供照明；

刚性横杆，用于固定点云重建相机、线激光、图片采集相机和泛光灯；

水下转台，与刚性横杆连接，用于转动刚性横杆扫描整个目标；

嵌入式处理器，用于控制水下转台转动，控制线激光和泛光灯的亮度，控制点云重建相机、图片采集相机分别采集目标点云和彩色图片，实时生成存储点云数据，和离线向外部传输数据；

所述图片采集相机、点云重建相机、泛光灯、嵌入式处理器、线激光分别设于密封舱内，且固定在刚性横杆上；刚性横杆固定在水下转台上；所述图片采集相机、点云重建相机设于刚性横杆一端，线激光设于刚性横杆另一端；

通过控制刚性横杆动作，对点云重建相机进行标定；

使用点云重建相机和图片采集相机进行水下目标三维感知；

所述通过控制刚性横杆动作，对点云重建相机进行标定，包括以下步骤：

标定点云重建相机内参和畸变参数；

标定点云重建相机密封舱前盖的位姿参数；

标定点云重建相机与转台的坐标变换矩阵；

标定点云重建相机坐标系下的激光平面方程；

所述使用点云重建相机和图片采集相机进行水下目标三维感知，包括以下步骤：

1)通过点云重建相机进行水下目标局部单线重建；

2)通过转台转动控制刚性横杆，进行水下目标扫描重建；

3)通过图片采集相机和泛光灯的同步照明进行水下目标彩色图片拍摄并储存；

所述标定点云重建相机密封舱前盖的位姿参数，包括以下步骤：

1)测量点云重建相机密封舱前盖窗口厚度d₁，获取密封舱前盖窗口折射率n_g，使用环境中水的折射率n_w；

2)将棋盘格放在点云重建相机正前方并固定；

3)点云重建相机放在空气中，并拆除其密封舱前盖，拍摄棋盘格图片I_a；

4)点云重建相机安装其密封舱前盖，并放在水中，拍摄棋盘格图片I_w；

5)分别求出图片I_a和I_w中的棋盘格角点像素坐标C_a和C_w；

6)分别求出角点像素坐标C_a和C_w对应的相机入射光向量V_a和V_w；

7)求出每个角点的窗口分界面方向V_a×V_w，每个角点的分界面方向的共同垂线即为密封舱前盖窗口法线方向n；所述窗口分界面为密封舱前盖窗口平面，为用于隔离密封舱内空气与密封舱外水的分界面；

8)根据棋盘格的方格数量、尺寸参数和图片I_a中的棋盘格角点计算点云重建相机与棋盘格坐标系之间的转换矩阵RT，并求出棋盘格角点在相机坐标系下的坐标P；

9)根据图片I_w中的棋盘格角点和相机内参得到密封舱内光线传播方向v_a；根据密封舱前盖窗口法线方向n，利用菲涅尔定律计算出密封舱窗口中光线传播方向v_g和密封舱外光线传播方向v_w；

10)根据v_a经过相机坐标系原点O、v_w经过棋盘格角点坐标P、密封舱前盖窗口法线方向n和密封舱前盖窗口厚度d₁，通过几何约束关系求得密封舱前盖窗口到点云重建相机的距离d₀；

所述标定点云重建相机坐标系下的激光平面方程，包括以下步骤：

1)点云重建相机安装其密封舱前盖，并放在水中；

2)棋盘格在点云重建相机视场内相对于点云重建相机前后移动，保证每个位置线激光均照射在棋盘格上，棋盘格在每个位置各采集关闭线激光图片I_c和打开线激光图片I_l，并构成一对图片；

3)提取图片I_c的棋盘格角点，计算点云重建相机坐标系与棋盘格坐标系之间的转换矩阵；

4)利用转换矩阵将棋盘格角点坐标转换为空间三维点，利用密封舱前盖窗口的折射参数d₀，d₁，v_a，v_g，v_w，n和点云重建相机内参求出棋盘格角点的反投影坐标，迭代修正转换矩阵使原始的棋盘格角点坐标和反投影坐标误差最小；

5)根据棋盘格角点坐标和修正后的转换矩阵求出棋盘格所在平面的方程；

6)提取图片I_l中的线激光中心像素坐标；

7)求出线激光中心像素坐标对应的水中光线方程；

8)水中光线方程与棋盘格所在平面的交点为线激光三维坐标；

9)将所有图片的线激光三维坐标拟合成一个平面方程，即激光平面方程；

所述通过点云重建相机进行水下目标局部单线重建，包括以下步骤：

1)点云重建相机拍摄目标图片，线激光在拍摄时同步投射线激光；

2)嵌入式处理器提取图片的线激光中心；

3)嵌入式处理器根据线激光中心坐标、密封舱前盖窗口的折射参数d₀，d₁，n与点云重建相机内参修正水中的相机入射光线；

4)嵌入式处理器根据水中的相机入射光线和激光平面方程重建出线激光照射目标的单线点云；

5)嵌入式处理器实时存储点云和图片结果。