[发明专利]一种大规模电缆隧道环境模型重构方法

权利要求书

1.一种大规模电缆隧道环境模型重构方法，其特征在于，包括步骤：

S1：将全景相机前向鱼眼镜头记为F相机，后向鱼眼镜头记为R相机，使用F相机和R相机分别采集不同角度的棋盘格图像、不同曝光量的鱼眼图像；

S2：使用全景相机匀速前进采集电缆隧道环境的全景视频S，将全景视频S分割成Q段全景图像序列I；

S3：针对每段全景图像序列I，获得F相机和R相机的外部参数、稀疏三维点云，基于球面扫描算法密集重建稠密三维点云；

S4：对三维点云进行三角剖分和纹理贴图得到大规模电缆隧道环境三维模型。

2.根据权利要求1所述的大规模电缆隧道环境模型重构方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

S11：将全景相机的前向鱼眼镜头记为F相机，后向鱼眼镜头记为R相机，使用F相机和R相机分别采集12幅不同角度的棋盘格图像，基于统一相机模型标定全景相机的内部参数，包含F相机的内部参数K^F,ξ^F、R相机的内部参数K^R,ξ^R，以及F相机与R相机之间的内部参数P，其中，K^F,K^R是3×3矩阵,ξ^F,ξ^R是常数，P是3×4矩阵；

S12：使用F相机和R相机分别采集5幅不同曝光量的鱼眼图像，基于Debevec方法标定F相机和R相机的相机响应曲线，非线性相机响应函数分别记为f^F()和f^R()。

3.根据权利要求2所述的大规模电缆隧道环境模型重构方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：

S22：固定F相机和R相机的曝光时间Δt^F和Δt^R，使用全景相机匀速前进采集电缆隧道环境的全景视频S，分辨率为1920×1080；将全景视频S分割成Q段全景图像序列I,每段全景图像序列I包含900帧全景图像，相邻段全景图像序列重叠90帧全景图像。

4.根据权利要求3所述的大规模电缆隧道环境模型重构方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31：从全景图像序列I中每隔30帧提取一帧全景图像，构成N＝30帧全景图像集I(i),(i＝1,2,…,N),全景图像分辨率为1920×1080；全景图像集I(i)中包含F相机采集的N帧鱼眼图像IF(i)，(i＝1,2,…,N)，R相机采集的N帧鱼眼图像IR(i)(i＝1，2…,N)，鱼眼图像分辨率为960×1080；

S32：利用相机响应函数f^F()和f^R()分别将鱼眼图像IF(i)、IR(i)转化为高动态范围鱼眼图像IFH(i)、IRH(i)；

S33：提取第1帧鱼眼图像IF(1)和IR(1)的Harris角点，并利用KLT算法分别跟踪高动态范围鱼眼图像IFH(i)、IRH(i)上提取的Harris角点；当角点追踪丢失或者角点距离图像中心超过900像素时，则过滤掉该角点；滤波后第i帧第j个Harris角点的图像坐标分别记和角点数量分别记为NF和NR；

S34：根据统一相机模型计算图像坐标对应的球面坐标记为那么第j个角点在第1帧的球面坐标为和其对应的球面坐标系下的3D点坐标可以通过逆深度计算为

其中，为第j个角点在F相机第1帧下的逆深度，是的欧几里德范数，为第j个角点在R相机第1帧下的逆深度，是的欧几里德范数。

S35：利用旋转向量r_i,(r_i∈r)和平移向量t_i,(t_i∈t)将3D点转换到第i帧球面坐标系下的3D坐标为并进行归一化得到球面坐标为

S36：构造BA公式最小化球面坐标的距离，表示为

其中，||||_H是Huber核函数，用来增强对异常值的鲁棒性；通过3×4矩阵P将F相机和R相机的外部参数P_i^F,P_i^R在同一个参考系中表示，转换关系为

其中，表示使用Rodrigues公式将旋转向量转换成旋转矩阵；

S37：初始化转换矩阵P_i^F＝[I_3×3 0_3×1]，逆深度米；

S38：使用Ceres优化器求解公式(1)，得到F相机和R相机的外部参数P_i^F,P_i^R、稀疏三维点云Point；

S39：将全景图像序列I、全景相机的外部参数P_i^F和稀疏三维点云Point作为输入，基于球面扫描算法密集重建稠密三维点云Points。

5.根据权利要求4所述的大规模电缆隧道环境模型重构方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括：

S41：全景图像序列I中相邻段q的第28、29、30帧全景图像分别与q+1的第1、2、3帧全景图像重叠(q∈Q)，提取这6帧全景图像中共有的Harris角点，对应点云Point(q)和Point(q+1)的3D坐标分别记为X(q),X(q+1)；将第1个全景图像序列I所在的世界坐标系作为全局坐标系，使用非线性优化方法依次计算3D点X(q)到3D点X(1)的转换矩阵T(q)；其中T(q)是一个3×4矩阵，3D点转换时使用齐次坐标；

S42：利用转换矩阵T(q)依次将点云Points(q)融入到Points(1)，得到全局一致的稠密三维点云；

S43：对三维点云进行三角剖分和纹理贴图得到大规模电缆隧道环境三维模型。