基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，按以下步驟順序進(jìn)行：a、獲取包含有深度信息的水下二維圖像；b、對(duì)水下二維圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理；c、對(duì)步驟b得到的二維圖像進(jìn)行降噪處理；d、對(duì)步驟c得到的二維圖像進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)和圖像形態(tài)處理，提取激光條紋的中心；e、對(duì)步驟d得到的二維圖像進(jìn)行標(biāo)校；f、從步驟e所得二維圖像獲取三維坐標(biāo)；g、利用計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言對(duì)三維坐標(biāo)進(jìn)行重建，即得到可視化的水下目標(biāo)三維信息。本發(fā)明方法有效降低了由于水中懸浮物、海水對(duì)光的吸收和散射、非均勻光場(chǎng)等對(duì)探測(cè)精度的影響，完成了大角度、遠(yuǎn)距離的水下目標(biāo)三維信息提取，實(shí)現(xiàn)了水下遠(yuǎn)距離、高精度、實(shí)時(shí)的目標(biāo)三維探測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水下目標(biāo)三維重建技術(shù)，尤其涉及一種基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)
三維重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，海洋資源開(kāi)發(fā)、水下工程建設(shè)和水下軍事應(yīng)用等領(lǐng)域的不斷拓展，水下探測(cè)技術(shù)的重要性日益顯現(xiàn)。水下探測(cè)技術(shù)也逐漸從二維圖像探測(cè)技術(shù)朝著三維目標(biāo)及場(chǎng)景重建技術(shù)不斷發(fā)展。水下目標(biāo)三維重建技術(shù)通過(guò)對(duì)光成像技術(shù)、圖像處理技術(shù)、電子與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的綜合利用，可以為人類(lèi)提供合適的觀察通道，將水下被探測(cè)目標(biāo)的外型顯示為人眼可判斷的圖像或視頻信息。
[0003]目前，水下目標(biāo)探測(cè)技術(shù)主要是在聲學(xué)測(cè)量技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的聲納技術(shù)。它利用超聲波測(cè)距的方法掃描被測(cè)目標(biāo)，得到目標(biāo)與聲學(xué)測(cè)量設(shè)備的距離，從而進(jìn)行水下目標(biāo)的三維重建。但是，由于超聲波掃描的范圍不宜控制、遠(yuǎn)距離測(cè)量精度偏低，因此聲納技術(shù)難以滿足高精度水下目標(biāo)的三維探測(cè)和重構(gòu)要求。
[0004]與聲納技術(shù)相比，基于結(jié)構(gòu)光掃描的目標(biāo)三維重建技術(shù)在圖像的分辨率、直觀性、可讀性等方面都有著明顯的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)是從攝像機(jī)拍攝的二維圖像信息中恢復(fù)出物體的三維信息，目前已經(jīng)在陸地上得到了很好的應(yīng)用。但是，由于水下地質(zhì)情況特殊，水中懸浮物、海水對(duì)光的吸收和散射、非均勻光場(chǎng)等問(wèn)題的存在，使得陸上應(yīng)用的結(jié)構(gòu)光掃描的目標(biāo)三維重建技術(shù)在水下應(yīng)用時(shí)效果不良。
[0005]中國(guó)專(zhuān)利CN102519440A公開(kāi)了一種海洋測(cè)繪水下目標(biāo)三維可視化處理系統(tǒng)。該處理系統(tǒng)由水下目標(biāo)獲取設(shè)備、水下目標(biāo)處理工作站和水下目標(biāo)三維可視化客戶端構(gòu)成，水下目標(biāo)獲取設(shè)備、水下目標(biāo)處理工作站和水下目標(biāo)三維可視化客戶端通過(guò)局域網(wǎng)連接在一起，完成水下目標(biāo)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)三維可視化處理功能。該發(fā)明實(shí)現(xiàn)了水下目標(biāo)數(shù)據(jù)的采集、處理、可視化錄入、編輯，解決了水下目標(biāo)從數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)處理以及三維可視化表達(dá)、數(shù)據(jù)更新、自動(dòng)查詢定位的系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)難題，提高了數(shù)據(jù)管理效率和質(zhì)量。但是，此專(zhuān)利采用聲納設(shè)備和多波束探測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，仍然無(wú)法避免水下特殊情況對(duì)三維數(shù)據(jù)精度、探測(cè)范圍的影響，

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明需要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，該方法克服了聲納水下目標(biāo)探測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)水下遠(yuǎn)距離、高精度、實(shí)時(shí)目標(biāo)的三維探測(cè)。
[0007]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
[0008]一種基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，按以下步驟順序進(jìn)行:
[0009]步驟a、利用水下結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)完成對(duì)水下目標(biāo)三維信息的采集，獲取包含有深度信息的水下二維圖像；[0010]步驟b、對(duì)水下二維圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，提高二維圖像的清晰度和信噪比；
[0011]步驟C、對(duì)步驟b得到的二維圖像進(jìn)行降噪處理，濾除二維圖像中除了激光條紋外的噪聲點(diǎn)；
[0012]步驟d、利用梯度場(chǎng)構(gòu)造偏微分方程模型的方法對(duì)步驟c得到的二維圖像進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)和圖像形態(tài)處理，提取出激光條紋的中心；
[0013]步驟e、利用攝像機(jī)在水下不同深度獲得的標(biāo)校數(shù)據(jù)對(duì)步驟d得到的二維圖像激光條紋的中心位置進(jìn)行標(biāo)校；
[0014]步驟f、通過(guò)光學(xué)幾何技術(shù)，從步驟e得到的二維圖像中獲取水下目標(biāo)的三維坐標(biāo)；
[0015]步驟g、利用計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言，對(duì)步驟f采集到的三維坐標(biāo)進(jìn)行重建，即得到可視化的水下目標(biāo)三維信息。
[0016]所述步驟 a中，所述水下結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)光源激光器、攝像機(jī)、移動(dòng)平臺(tái)、圖像處理及目標(biāo)三維重建系統(tǒng)組成；其中，結(jié)構(gòu)光源激光器和攝像機(jī)分別固定在移動(dòng)平臺(tái)上，結(jié)構(gòu)光源激光器發(fā)射的線性激光所形成的平面與移動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)方向垂直、與攝像機(jī)鏡頭的中心光軸之間的夾角在30°~60°之間。
[0017]所述步驟a中水下二維圖像的獲取方法為:結(jié)構(gòu)光源激光器發(fā)射出的線性激光在目標(biāo)物體表面上形成一條明亮的激光條紋，當(dāng)目標(biāo)物體表面有深度或高度的信息變化時(shí)，形成的激光條紋會(huì)呈現(xiàn)為一條連續(xù)起伏的條紋或多條間斷的條紋；在結(jié)構(gòu)光源激光器發(fā)射激光的同時(shí)，打開(kāi)攝像機(jī)的快門(mén)接受光信號(hào)、拍攝激光條紋，得到包含有深度信息的水下二維圖像，傳輸至圖像處理及目標(biāo)三維重建系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理。
[0018]所述步驟b中，圖像增強(qiáng)處理包括以下步驟①~步驟⑥:
[0019]步驟①、將攝像機(jī)拍攝到的水下二維圖像進(jìn)行灰度化處理；
[0020]步驟②、將灰度值相同的像點(diǎn)進(jìn)行累加，并存放至一個(gè)數(shù)組HD中，數(shù)組的維數(shù)與圖像灰度值的范圍相同，Length(HD)=圖像灰度值的范圍；
[0021]數(shù)組中的第i個(gè)數(shù)值Iii為圖像中灰度為i的像點(diǎn)的個(gè)數(shù)；
[0022]步驟③、計(jì)算原始水下二維圖像直方圖，計(jì)算公式為:
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，其特征在于:按以下步驟順序進(jìn)行， 步驟a、利用水下結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)完成對(duì)水下目標(biāo)三維信息的采集，獲取包含有深度信息的水下二維圖像； 步驟b、對(duì)水下二維圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理，提高二維圖像的清晰度和信噪比； 步驟C、對(duì)步驟b得到的二維圖像進(jìn)行降噪處理，濾除二維圖像中除了激光條紋外的噪聲占.步驟d、利用梯度場(chǎng)構(gòu)造偏微分方程模型的方法對(duì)步驟c得到的二維圖像進(jìn)行圖像邊緣檢測(cè)和圖像形態(tài)處理，提取出激光條紋的中心； 步驟e、利用攝像機(jī)在水下不同深度獲得的標(biāo)校數(shù)據(jù)對(duì)步驟d得到的二維圖像激光條紋的中心位置進(jìn)行標(biāo)校； 步驟f、通過(guò)光學(xué)幾何技術(shù)，從步驟e得到的二維圖像中獲取水下目標(biāo)的三維坐標(biāo)；步驟g、利用計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言，對(duì)步驟f采集到的三維坐標(biāo)進(jìn)行重建，即得到可視化的水下目標(biāo)三維信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，其特征在于:步驟a中，所述水下結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)光源激光器(I)、攝像機(jī)(2)、移動(dòng)平臺(tái)(3)、圖像處理及目標(biāo)三維重建系統(tǒng)(4)組成；其中，結(jié)構(gòu)光源激光器(I)和攝像機(jī)(2)分別固定在移動(dòng)平臺(tái)(3)上，結(jié)構(gòu)光源激光器(I)發(fā)射的線性激光所形成的平面與移動(dòng)平臺(tái)(3)的移動(dòng)方向垂直、與攝像機(jī)(2)鏡頭的中心光軸之間的夾角在30°~60°之間。
3.根據(jù)權(quán)利要 求1或2任一項(xiàng)所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，其特征在于:所述步驟a中水下二維圖像的獲取方法為:結(jié)構(gòu)光源激光器(I)發(fā)射出的線性激光在目標(biāo)物體表面上形成一條明亮的激光條紋，當(dāng)目標(biāo)物體表面有深度或高度的信息變化時(shí)，形成的激光條紋會(huì)呈現(xiàn)為一條連續(xù)起伏的條紋或多條間斷的條紋；在結(jié)構(gòu)光源激光器(I)發(fā)射激光的同時(shí)，打開(kāi)攝像機(jī)(2)的快門(mén)接受光信號(hào)、拍攝激光條紋，得到包含有深度信息的水下二維圖像，傳輸至圖像處理及目標(biāo)三維重建系統(tǒng)(4)進(jìn)行后續(xù)處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，其特征在于:所述步驟b中，圖像增強(qiáng)處理包括以下步驟: 步驟①、將攝像機(jī)(2)拍攝到的水下二維圖像進(jìn)行灰度化處理； 步驟②、將灰度值相同的像點(diǎn)進(jìn)行累加，并存放至一個(gè)數(shù)組HD中，數(shù)組的維數(shù)與圖像灰度值的范圍相同，Length(HD)=圖像灰度值的范圍；圖像灰度值的范圍為256 ； 數(shù)組中的第i個(gè)數(shù)值Iii為圖像中灰度為i的像點(diǎn)的個(gè)數(shù)； 步驟③、計(jì)算原始水下二維圖像直方圖，計(jì)算公式為:
p(i) = — K) N 其中，N為原始水下二維圖像像素的總個(gè)數(shù)； 步驟④、計(jì)算原始水下二維圖像的累積直方圖，計(jì)算公式為:
Pj = YdPik)-,
k=Q步驟⑤、利用灰度變換函數(shù)計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果四舍五入，得到變換后的灰度值；所述灰度變換函數(shù)公式為:
j = INT [ (L-1) Pj+0.5]； 步驟⑥、確定灰度變換關(guān)系i — j，據(jù)此將原圖像的灰度值f (m，n) = i修正為g(m，η)=j，從而完成原始圖像的增強(qiáng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，其特征在于:所述步驟c中，圖像降噪處理包含以下步驟: 步驟①、根據(jù)步驟c中所得二維圖像的清晰程度，構(gòu)造一個(gè)激光條紋檢測(cè)矩陣A，所述檢測(cè)矩陣A為全I(xiàn)的5階方陣:
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，其特征在于:所述步驟d中，提取激光條紋的中心的具體步驟為: 步驟①、設(shè)置用來(lái)描述圖像f在任意位置Ouy)處邊緣的強(qiáng)度和方向的梯度V/梯度Vf的向量定義式為:
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，其特征在于:所述步驟d中使用的濾波器模板為Sobel算子模板、拉普拉斯算子或高斯拉普拉斯算子模板中的任意一種； 當(dāng)使用Sobel算子模板作為濾波模板時(shí)，梯度向量的計(jì)算公式為:

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，其特征在于:所述步驟e中，校標(biāo)數(shù)據(jù)的獲得方法是:將標(biāo)校板放在水下，在不同深度處檢測(cè)標(biāo)校板上激光條紋的位置，以此做為攝像機(jī)的標(biāo)校數(shù)據(jù)； 二維圖像的標(biāo)校過(guò)程是:首先將相機(jī)標(biāo)定板放置在不同深度的水中，且相機(jī)標(biāo)定板的法線方向與結(jié)構(gòu)光源激光器(I)的光軸平行，從攝像機(jī)上獲得激光條紋在相機(jī)標(biāo)定板上的圖像；然后通過(guò)所得圖像計(jì)算出任一坐標(biāo)點(diǎn)和其對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)點(diǎn)之間的關(guān)系；最后通過(guò)直接線性變化法或RogerY.Tsai算法對(duì)步驟d獲得的二維圖像激光條紋的中心位置進(jìn)行校正。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，其特征在于:所述步驟f中，首先根據(jù)結(jié)構(gòu)光源激光器(I)、攝像機(jī)(2)和目標(biāo)物體三者構(gòu)成三角形，利用攝像機(jī)(2)上條紋的移動(dòng)距離與攝像機(jī)中CCD像平面(5)上的像位移的關(guān)系、按照下列公式計(jì)算出目標(biāo)物體深度或高度變化距離:

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標(biāo)三維重建方法，其特征在于:所述步驟g中使用的 計(jì)算機(jī)聞級(jí)編程語(yǔ)目為MATLAB語(yǔ)目、VC語(yǔ)目、VB語(yǔ)目或delphi語(yǔ)目中的任意一種。
【文檔編號(hào)】G01V8/10GK103971406SQ201410195345
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】崔海榮, 王貞, 張秉森, 郭春鋒, 吳海霞, 蘭淑麗, 張磊, 鄭海永 申請(qǐng)人:青島大學(xué)