基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標三維重建方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標三維重建方法，按以下步驟順序進行：a、獲取包含有深度信息的水下二維圖像；b、對水下二維圖像進行增強處理；c、對步驟b得到的二維圖像進行降噪處理；d、對步驟c得到的二維圖像進行圖像邊緣檢測和圖像形態(tài)處理，提取激光條紋的中心；e、對步驟d得到的二維圖像進行標校；f、從步驟e所得二維圖像獲取三維坐標；g、利用計算機高級編程語言對三維坐標進行重建，即得到可視化的水下目標三維信息。本發(fā)明方法有效降低了由于水中懸浮物、海水對光的吸收和散射、非均勻光場等對探測精度的影響，完成了大角度、遠距離的水下目標三維信息提取，實現(xiàn)了水下遠距離、高精度、實時的目標三維探測。
【專利說明】基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標三維重建方法
【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
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，水下探測技術(shù)的重要性日益顯現(xiàn)。水下探測技術(shù)也逐漸從二維圖像探測技術(shù)朝著三維目標及場景重建技術(shù)不斷發(fā)展。水下目標三維重建技術(shù)通過對光成像技術(shù)、圖像處理技術(shù)、電子與通信技術(shù)和計算機視覺技術(shù)等多種先進技術(shù)的綜合利用，可以為人類提供合適的觀察通道，將水下被探測目標的外型顯示為人眼可判斷的圖像或視頻信息。
[0003]目前，水下目標探測技術(shù)主要是在聲學(xué)測量技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的聲納技術(shù)。它利用超聲波測距的方法掃描被測目標，得到目標與聲學(xué)測量設(shè)備的距離，從而進行水下目標的三維重建。但是，由于超聲波掃描的范圍不宜控制、遠距離測量精度偏低，因此聲納技術(shù)難以滿足高精度水下目標的三維探測和重構(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。該技術(shù)是從攝像機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、海水對光的吸收和散射、非均勻光場等問題的存在，使得陸上應(yīng)用的結(jié)構(gòu)光掃描的目標三維重建技術(shù)在水下應(yīng)用時效果不良。
[0005]中國專利CN102519440A公開了一種海洋測繪水下目標三維可視化處理系統(tǒng)。該處理系統(tǒng)由水下目標獲取設(shè)備、水下目標處理工作站和水下目標三維可視化客戶端構(gòu)成，水下目標獲取設(shè)備、水下目標處理工作站和水下目標三維可視化客戶端通過局域網(wǎng)連接在一起，完成水下目標數(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)明實現(xiàn)了水下目標數(shù)據(jù)的采集、處理、可視化錄入、編輯，解決了水下目標從數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)處理以及三維可視化表達、數(shù)據(jù)更新、自動查詢定位的系統(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，此專利采用聲納設(shè)備和多波束探測設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集，仍然無法避免水下特殊情況對三維數(shù)據(jù)精度、探測范圍的影響，

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標三維重建方法，該方法克服了聲納水下目標探測技術(shù)的缺點，能夠?qū)崿F(xiàn)水下遠距離、高精度、實時目標的三維探測。
[0007]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是:
[0008]一種基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標三維重建方法，按以下步驟順序進行:
[0009]步驟a、利用水下結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)完成對水下目標三維信息的采集，獲取包含有深度信息的水下二維圖像；[0010]步驟b、對水下二維圖像進行增強處理，提高二維圖像的清晰度和信噪比；
[0011]步驟C、對步驟b得到的二維圖像進行降噪處理，濾除二維圖像中除了激光條紋外的噪聲點；
[0012]步驟d、利用梯度場構(gòu)造偏微分方程模型的方法對步驟c得到的二維圖像進行圖像邊緣檢測和圖像形態(tài)處理，提取出激光條紋的中心；
[0013]步驟e、利用攝像機在水下不同深度獲得的標校數(shù)據(jù)對步驟d得到的二維圖像激光條紋的中心位置進行標校；
[0014]步驟f、通過光學(xué)幾何技術(shù)，從步驟e得到的二維圖像中獲取水下目標的三維坐標；
[0015]步驟g、利用計算機高級編程語言，對步驟f采集到的三維坐標進行重建，即得到可視化的水下目標三維信息。
[0016]所述步驟 a中，所述水下結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)光源激光器、攝像機、移動平臺、圖像處理及目標三維重建系統(tǒng)組成；其中，結(jié)構(gòu)光源激光器和攝像機分別固定在移動平臺上，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平臺的移動方向垂直、與攝像機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物體表面上形成一條明亮的激光條紋，當目標物體表面有深度或高度的信息變化時，形成的激光條紋會呈現(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，打開攝像機的快門接受光信號、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三維重建系統(tǒng)進行后續(xù)處理。
[0018]所述步驟b中，圖像增強處理包括以下步驟①~步驟⑥:
[0019]步驟①、將攝像機拍攝到的水下二維圖像進行灰度化處理；
[0020]步驟②、將灰度值相同的像點進行累加，并存放至一個數(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個數(shù)值Iii為圖像中灰度為i的像點的個數(shù)；
[0022]步驟③、計算原始水下二維圖像直方圖，計算公式為:
[0023]
【權(quán)利要求】
1.一種基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標三維重建方法，其特征在于:按以下步驟順序進行， 步驟a、利用水下結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)完成對水下目標三維信息的采集，獲取包含有深度信息的水下二維圖像； 步驟b、對水下二維圖像進行增強處理，提高二維圖像的清晰度和信噪比； 步驟C、對步驟b得到的二維圖像進行降噪處理，濾除二維圖像中除了激光條紋外的噪聲占.步驟d、利用梯度場構(gòu)造偏微分方程模型的方法對步驟c得到的二維圖像進行圖像邊緣檢測和圖像形態(tài)處理，提取出激光條紋的中心； 步驟e、利用攝像機在水下不同深度獲得的標校數(shù)據(jù)對步驟d得到的二維圖像激光條紋的中心位置進行標校； 步驟f、通過光學(xué)幾何技術(shù)，從步驟e得到的二維圖像中獲取水下目標的三維坐標；步驟g、利用計算機高級編程語言，對步驟f采集到的三維坐標進行重建，即得到可視化的水下目標三維信息。
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)光測量系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)光源激光器(I)、攝像機(2)、移動平臺(3)、圖像處理及目標三維重建系統(tǒng)(4)組成；其中，結(jié)構(gòu)光源激光器(I)和攝像機(2)分別固定在移動平臺(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平臺(3)的移動方向垂直、與攝像機(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任一項所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標三維重建方法，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物體表面上形成一條明亮的激光條紋，當目標物體表面有深度或高度的信息變化時，形成的激光條紋會呈現(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，打開攝像機(2)的快門接受光信號、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三維重建系統(tǒng)(4)進行后續(xù)處理。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標三維重建方法，其特征在于:所述步驟b中，圖像增強處理包括以下步驟: 步驟①、將攝像機(2)拍攝到的水下二維圖像進行灰度化處理； 步驟②、將灰度值相同的像點進行累加，并存放至一個數(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個數(shù)值Iii為圖像中灰度為i的像點的個數(shù)； 步驟③、計算原始水下二維圖像直方圖，計算公式為:
p(i) = — K) N 其中，N為原始水下二維圖像像素的總個數(shù)； 步驟④、計算原始水下二維圖像的累積直方圖，計算公式為:
Pj = YdPik)-,
k=Q步驟⑤、利用灰度變換函數(shù)計算，并對計算結(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。
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)造一個激光條紋檢測矩陣A，所述檢測矩陣A為全I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)置用來描述圖像f在任意位置Ouy)處邊緣的強度和方向的梯度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； 當使用Sobel算子模板作為濾波模板時，梯度向量的計算公式為:

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線結(jié)構(gòu)光的水下目標三維重建方法，其特征在于:所述步驟e中，校標數(shù)據(jù)的獲得方法是:將標校板放在水下，在不同深度處檢測標校板上激光條紋的位置，以此做為攝像機的標校數(shù)據(jù)； 二維圖像的標校過程是:首先將相機標定板放置在不同深度的水中，且相機標定板的法線方向與結(jié)構(gòu)光源激光器(I)的光軸平行，從攝像機上獲得激光條紋在相機標定板上的圖像；然后通過所得圖像計算出任一坐標點和其對應(yīng)的空間坐標點之間的關(guān)系；最后通過直接線性變化法或RogerY.Tsai算法對步驟d獲得的二維圖像激光條紋的中心位置進行校正。
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(2)和目標物體三者構(gòu)成三角形，利用攝像機(2)上條紋的移動距離與攝像機中CCD像平面(5)上的像位移的關(guān)系、按照下列公式計算出目標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)光的水下目標三維重建方法，其特征在于:所述步驟g中使用的 計算機聞級編程語目為MATLAB語目、VC語目、VB語目或delphi語目中的任意一種。
【文檔編號】G01V8/10GK103971406SQ201410195345
【公開日】2014年8月6日 申請日期: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 申請人:青島大學(xué)