[发明专利]基于激光三角法的旋转水下物体三维重建方法

说明书

基于线结构光旋转扫描的水下三维重建的方法，包括水下相机参数标定、转轴标定、水下激光平面标定，水下图像采集，再利用水下相机折射模型进行矫正，然后进行水下激光旋转扫描三维成像，最后通过点云进行重建。本发明实现了对目标物体静止状态下的高精度三维重建，该方法简化了物体横向扫描的复杂流程，使得在水下能更便易的完成物体的旋转扫描，并提出了水下相机折射模型和旋转轴标定方法，解决了水下折射问题和并因相机光心不在旋转轴中央和相机可能架构不标准导致的重建效果不好的问题，使得三维重建效果更精确，能够直接实现稠密重建，避免了因稀疏重建加上采样方法导致的误差较大的问题，对于较大范围的水下场景也能实现精准重建。

技术领域

本发明属于计算机视觉三维重建技术领域，涉及一种基于激光三角法的水下物体三维重建方法。

背景技术

随着计算机视觉领域的不断发展，三维重建成为了研究的重点，三维重建技术就是要在计算机中真实地重建出物体表面的三维虚拟模型，把真实场景刻画成符合计算机逻辑表达的数学模型，相比于二维图像，三维模型能够提供物体的深度数据，从而能够全方位的展现物体特性，这种模型可以对文物保护、生物研究、建筑设计、临床医学等研究起到辅助的作用。

在所有的三位重建方法中，基于线结构扫描的方法具有测量范围较广、测量效率高、结构简单等优点，在工程测量领域前景广泛。除此之外，水下目标三维探测作为海洋研究及开发中的非常重要的一项技术，受到各国科研机构和政府的重视。传统的水下目标探测技术以声学测量为主，但是声学测量技术因其固有的物理特性使其较难满足实时高精度水下目标的三维探测及重构的任务。而以光学测量技术为基础的水下光电探测技术集合了当前高速发展的计算机视觉技术、激光技术、数字图像处理技术、电子与信号处理技术等，同时应用范围也越来越广。常规的激光三角法以线结构光平移扫描完成物体表面数据采集，考虑到仪器在水底移动不便，以及常见的激光扫描设置为一端是相机一端是激光器，由于仪器精密原因可能会导致光心与旋转轴无法重合，现在亟需研发一种可以通过旋转轴标定来去除误差的线结构光旋转扫描的方法。

发明内容

本方法针对当前线结构光扫描采用平移横向扫描，根据仪器移动不便时无法完成物体表面扫描的局限性，提出了基于激光三角法的旋转水下物体三维重建的方法，该方法通过围绕旋转轴旋转来旋转扫描物体，并结合新提出的一种算法使得相机光心与旋转轴通过标定完成重合。

基于线结构光旋转扫描的水下三维重建的方法，其特征是包括以下步骤：

S1.水下相机参数标定

将相机(1)与激光器(2)分别通过支架(3)固定在转轴(4)上，首先保持相机(1)与激光器(2)在拍摄过程中相对位置保持不变；然后从不同角度拍摄标定板，标定相机的内参、外参以及畸变参数；

S2.转轴标定

进行转轴标定，将相机坐标系下的物体表面三维坐标转到转轴坐标系；

(K1)固定标定板，相机绕转轴旋转，拍摄一组连续的照片；

(K2)求得相机光心在标定板坐标系下的三维坐标：

P ＝ R * Pw + T (1)

Pw ＝ R^-1(P - T) (2)

P表示相机光心在相机坐标系的三维坐标，Pw表示相机光心在标定板坐标系下的三维坐标；R表示旋转矩阵，T表示平移矩阵，均通过S1的标定而得到；因此公式1即Pw经过旋转、平移之后得到P；

因为相机光心在相机坐标系下的坐标为原点，所以公式2进一步表示为公式3：

Pw ＝ R^-1 * (-T) (3)