[发明专利]基于差异液位图像序列的水下三维重建系统及其方法

权利要求书

1.一种基于差异液位图像序列的水下三维重建系统，其特征在于，所述水下三维重建系统包括：摄像机、计算机系统、主水箱、液位差异测量装置；

所述摄像机用于获取水下场景的差异液位图像序列；其中，所述差异液位图像为彩色照片，所述摄像机的内部参数已经事先经过标定；

所述计算机系统用于控制摄像机拍照以及执行基于差异液位图像序列的水下三维重建相关计算和结果展示；其中，所述基于差异液位图像序列的水下三维重建相关计算包括：对所述差异液位图像序列进行图像局部特征提取、匹配及误匹配剔除得到图像特征；根据所述图像特征估计水平面在相机坐标系下的法向量方向，并计算图像特征点转换坐标；根据所述图像特征点转换坐标进行差异液位图像序列中各图像对应的水面距离标定；根据水面距离标定结果进行稠密三维场景重建及其优化；

所述液位差异测量装置用于测量拍摄不同图像时的液位差异；

所述主水箱用于盛放水及待重建物体，主水箱顶部敞开。

2.根据权利要求1所述的一种基于差异液位图像序列的水下三维重建系统，其特征在于，所述水下三维重建系统还包括水量控制装置和固定支架；所述水量控制装置用于控制主水箱的水量，所述固定支架包括摄像机固定支架和主水箱固定支架，所述摄像机固定支架用于将摄像机固定在主水箱上方，摄像机与计算机系统之间通过数据线连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于差异液位图像序列的水下三维重建系统，其特征在于，所述计算机系统包括PC机、显示器及外接设备；所述水量控制装置包括进水阀、泄水阀和水管；所述液位差异测量装置具体采用液位尺读取液位高度并计算不同液位的差异。

4.一种基于差异液位图像序列的水下三维重建方法，其特征在于，该水下三维重建方法包括权利要求1-3任一项所述的一种基于差异液位图像序列的水下三维重建系统，该水下三维重建方法具体包括以下步骤：

S1.单摄像机拍摄差异液位图像序列；

S2.计算机系统对所述差异液位图像序列进行图像局部特征提取、匹配及误匹配剔除得到图像特征；

S3.计算机系统根据所述图像特征估计水平面在相机坐标系下的法向量方向，并计算图像特征点转换坐标；

S4.计算机系统根据所述图像特征点转换坐标进行差异液位图像序列中各图像对应的水面距离标定；

S5.计算机系统根据水面距离标定结果进行稠密三维场景重建及其优化。

5.根据权利要求4所述的一种基于差异液位图像序列的水下三维重建方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下内容：

在不改变摄像机内部参数和外部参数的情况下，通过多次拍摄静态水下场景获取一个水下图像序列，每次拍摄前通过减少或增加容器内的水量调节液位高度，确保拍摄各图像时所对应的水面距离依次递增或递减；

其中，水面距离指的是摄相机投影中心与水面的垂直距离，记拍摄的图像的数量为M，M为整数，且M≥3，各图像所对应的水面距离记为{D_l|l＝1,2,L,M}，假定各水面距离满足如下约束：D₁<D₂<L<D_M。

6.根据权利要求5所述的一种基于差异液位图像序列的水下三维重建方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下内容：

S2.1根据相机的内部参数对图像进行变形矫正，移除由于镜头生产工艺限制导致的图像径向变形，获得矫正水下图像序列

S2.2利用仿射不变性图像局部特征提取和匹配方法计算中两两图像的特征点匹配结果，在此基础上获取M幅图像的匹配特征轨迹，每条特征轨迹由匹配成功的多个特征点坐标组成，并删除特征点数量少于M的特征轨迹；

S2.3对于每条特征轨迹，利用最小二乘法从其特征点坐标中拟合一条直线，若该特征轨迹中各特征点到所拟合的直线的距离均小于1个像素，则保留该特征轨迹，否则删除该特征轨迹，记最终保留下来的特征轨迹为{L_p|p＝1,2,L,N}。