[发明专利]水下高精度三维重建装置及方法

摘要

水下高精度三维重建装置及方法，包括一个棱柱形框架，其顶部设有一条形滑轨，滑轨上安装有可水平调节位置的高清相机，滑轨下方有两个激光器分别固定在其中一个棱柱上；在高清相机下方有八个射灯固定在棱柱形框架上；棱柱形框架顶部的各个顶点经一根支架连接在法兰底部，法兰顶部有一承重终端；承重终端顶端连接有主脐带缆、底部有分线电缆。其方法包括标定激光器、标定入射光方向、装置入海、采集目标物体激光图像与不同光照方向下的图像，图像传到水上后，通过结构光和光度立体技术进行快速的高精度三维重建。本发明可实现多种水下重建方法，将光度立体技术与结构光方法的优势结合在一起，使重建结果更为精确。

主权项

1.一种利用水下高精度三维重建装置进行水下光度立体三维重建的方法，其特征在于：所述的水下高精度三维重建装置，包括一个棱柱形框架(13)；该棱柱形框架(13)的顶部设有一条形滑轨(16)，该条形滑轨(16)上安装两个有可水平调节位置的高清相机(15)，激光器(17)经过密封，固定于棱柱形框架(13)侧面的钢架上，其发射的激光为“一”字型，入射角度可以自由调节，调节使激光线射到图像采集平面的中部；在高清相机(15)下方有八个射灯(18)固定在棱柱形框架(13)上，八个射灯(18)位于同一水平高度，相邻两个之间夹角为45度，所述射灯(18)均可上下调节倾角；棱柱形框架(13)顶部的各个顶点均设有一个衔接接口(14)，各衔接接口(14)均设有一根向框架中轴线倾斜的支架(11)，各个支架(11)的上端均支撑在一个终端对接法兰(10)的底部，所述终端对接法兰(10)的顶部安装有一个圆锥形的承重终端(7)；所述承重终端(7)顶端连接有主脐带缆(8)、底部有分线电缆(12)，且分线电缆(12)与上述高清相机(15)、激光器(17)、射灯(18)相连接；所述的方法包括标定步骤、图像采集步骤和图像处理步骤：所述的标定步骤如下：在出海进行图像采集前，先用黑色帆布搭建水池或将黑色帆布贴敷在水池的底部及侧壁；将海水灌入水池，将标定板四角用线绳牵引置于水下，将本水下高精度三维重建装置放入水中使相机没于水下，标定高清相机(15)内参，采集不同位姿角度下的完整的标定板图像至少20幅，标定得到相机内参信息；标定激光器，移除标定板，打开激光器(17)，使激光线位于成像视图的中部，先拍摄一幅池底图像，再在池底放置一个已知厚度的玻璃板，拍摄此时玻璃板的激光图像，标定得到单位像素偏移对应的物体高度信息；标定入射光方向，将一个圆球置于池底，使之位于高清相机(15)正下方，依次打开8个射灯(18)，采集不同光照下的8幅图像，经标定而得到射灯(18)入射光方向，作为深海采集时的入射光方向估计；所述的图像采集步骤如下：出海采集图像时，通过声纳系统选择水深在50‑100米的海域作为设备投放区域；将本水下高精度三维重建装置的主脐带缆(8)一端固定在起重机悬臂头部，下放入海中；装置落到海底后，等待海底环境相对平稳时，开启激光器(17)，采集目标物体激光图像，后关闭激光器(17)；分别开启8个射灯(18)，采集目标物体不同光照方向下的图像，在每个射灯(18)的光照下重复采集5幅图像；所述的图像处理步骤如下：上述5幅图像传到水上后，通过结构光技术和光度立体技术融合进行快速的高精度三维重建；上述通过结构光技术和光度立体技术融合进行快速的高精度三维重建，包括以下步骤(A)图像预处理、(B)图像校正和(C)结构光光度立体融合，具体如下：(A)图像预处理，包括双边滤波和去后向散射两步操作，双边滤波：采用双边滤波方法去除传到水上后的原始图像的低频噪声，同时保留图像的细节特征；去后向散射：先对前一步双边滤波后的图像均匀分块，分别计算每个分块中亮度值最小的像素即最暗点，记录其位置和亮度值，由于后向散射的成像分布近似服从二元二次函数分布，而每6个最暗点可以拟合出一个二元二次函数，对所有分块的最暗点用随机抽样一致方法迭代地拟合出全局误差最小的后向散射函数，用该函数近似估算出每个像素点对应的后向散射部分，最后在双边滤波后的图像基础上将后向散射部分减去；(B)图像校正图像的成像过程，是一个世界坐标系到像平面坐标系的三维到二维的映射过程；具体是将世界坐标系中的点X，通过摄像机矩阵P，映射到像平面坐标系上的点x，空间中的一点与像平面坐标系内唯一一点相对应，即x＝PX              (1)其中摄像机矩阵P包含相机的内参信息和外参信息，利用相机内参中的畸变系数完成图像校正，相机内参信息由上述出海前的标定试验获得；(C)结构光技术和光度立体技术融合该步包括结构光技术恢复局部高度、光度立体方法恢复全局高度两步操作；结构光技术恢复局部高度：结构光技术是一种主动式光学测量方法，在标定步骤中已估算出一个像素偏移对应的高度，将像素偏移个数与对应的高度相乘得到物体上被激光线打到区域的真实高度信息；光度立体方法恢复全局高度：光度立体技术是一种高精度三维重建方法，在朗伯模型条件下，它利用不同方向光照条件下拍摄的多幅图像求解物体的表面法向，进而重建出物体的三维结构，其光照模型满足：其中I代表采集到的图像的亮度值分布，λ为入射光强，ρ为反照率，朗伯模型下入射光射到物体表面均匀向各方向反射，某个方向的能量为反射总能量的N为全图法向矩阵，表示各像素点对应物点的法向信息，对于k幅采集到的不同光照方向的图像，每幅图像总像素点数s＝每行像素数a*每列像素数b，将每个点的单位法向分别在x、y、z轴上投影，得到一个3*1的矩阵，记为法向矩阵，将每个点的法向矩阵合并，从而构成全图法向矩阵N(s*3)；L为标定步骤中测得入射光照方向的集合，每幅图像对应的入射光方向写成一个3*1的矩阵，将每个矩阵合并从而构造矩阵L(3*k)；其中，其中p和q分别为所要求得的全局高度图在x和y方向上的偏导，即梯度信息；利用p和q对全图的每个像素点积分得到场景的三维结构，将结构光技术获取的局部高度作为可信的已知高度信息，对法向信息采用最小生成树的局部积分方法积分求得全图高度，具体包括：在积分路径选择方面，将可信高度点记录为一个集合，每次比较区域近邻像素的梯度，对近邻梯度值较小点进行积分并逐渐扩大可信高度点的范围，同时将目标物体边界点处的权重加大，以使积分路径不包含物体边界，最后得到积分重建后的三维结构。