水下結構光自掃描三維探測技術研究

《水下結構光自掃描三維探測技術研究》是依託中國海洋大學，由解則曉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：水下結構光自掃描三維探測技術研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：解則曉
• 依託單位：中國海洋大學

中文摘要

高精度水下三維測量能夠為水下目標的識別、分析和判斷提供準確的三維信息。作為常用的水下精確探測方法，水下雙目視覺和水下結構光的研究繼承了常規的理論方法，在對攝像機建模和標定時沒有考慮折射的影響，而使得雙目匹配率低，測量誤差大；此外，水下結構光要在水下載體的運動過程中才能實現三維掃描測量，測量精度難以控制。本項目提出基於結構光的水下自掃描三維測量方法，由攝像機、雷射線投射器和振鏡構成自掃描裝置，振鏡的轉動將雷射器投射出的光平面反射到攝像機視場的不同位置，實現自掃描。通過建立考慮折射的攝像機模型和相應的水下標定方法，精確求解測量裝置的幾何參數和坐標變換關係，由此確定自掃描過程中投射到水中的光平面在世界坐標系中的方程，再根據攝像機模型可求出光平面上任一點的三維坐標。本項目所建立的水下攝像機模型及水下攝像機標定方法可為水下視覺三維測量提供理論依據。

結題摘要

為實現對水下目標的高精度的識別、分析和定位，本項目提出基於結構光的水下自掃描三維測量方法，由攝像機、雷射線投射器和振鏡構成自掃描裝置，振鏡的轉動將雷射器投射出的光平面反射到攝像機視場的不同位置，實現自掃描。通過建立考慮折射的攝像機模型和相應的水下標定方法，精確求解測量裝置的幾何參數和坐標變換關係，由此確定自掃描過程中投射到水中的光平面在世界坐標系中的方程，再根據攝像機模型可求出光平面上任一點的三維坐標。 首先，建立了考慮折射的水下攝像機模型，因為攝像機坐標系的工作空間在水中，從攝像機坐標繫到二維像面坐標系要經過水-玻璃-空氣兩次折射。由於折射影響的非線性，透視成像模型不再成立，要根據水和玻璃的折射率、玻璃厚度、攝像機焦距等參量建立了能精確表達攝像機坐標系中任一點的受折射影響前後的位置關係。利用這個關係可建立該點在攝像機坐標系下的三維坐標與其像面上對應點到光心的連線和光軸間夾角的關係，再根據該角度值建立攝像機坐標系與像面坐標系間的變換關係。 其次，實現了水下攝像機的標定，攝像機標定是求解攝像機模型中的未知參數，這些參數包括坐標變換關係和系統的部分幾何尺寸。設計了平面格線靶標，由靶標上的特徵點和對應的像面坐標建立若干共軛對，利用這些共軛對採用改進的徑向排列約束方法來求解攝像機模型。接下來進行結構光光平面標定與三維坐標的求解，結構游標定是確定結構光光平面和攝像機像面的映射關係，然後根據像面上一點的坐標可確定在光平面中對應點的二維坐標。在本研究中，光平面經振鏡的反射後投射到攝像機視場中，振鏡的不同轉角對應不同的光平面。通過確定光平面在世界坐標系下的方程與振鏡轉角的對應關係，根據振鏡轉角可確定光平面的方程，將該方程代入攝像機模型可得到光平面上點的三維坐標。 最後，進行了折射影響及補償的研究，直接在水中對攝像機進行標定可較好地求出結構光系統的光學參數和結構參數，但由於長時間將靶標放在水中，靶標表面由於受到浸泡而發生顏色脫落等現象，對靶標的製造提出了很高的要求。在水中標定和在空氣中標定的主要區別在於水體的折射的影響。如果實現在空氣中標定在水中使用將會解決這一問題，本項目對水下折射的影響進行研究，並提出折射補償方法，將空氣中標定的結果通過折射補償後用在水下。 實驗證明本項目能較精確地掃描測量水下物體，表明所提出的設計方案合理，技術路線可行，較好地完成了各項指標。