[发明专利]一种基于声呐和视觉图像拼接的水下三维地图构建方法

权利要求书

1.一种基于声呐和视觉图像拼接融合的水下三维地图构建方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：利用搭载有机械扫描测距声呐和单目相机的水下机器人同时对水下环境进行视觉图像和声呐测距数据采集；

步骤2：关联声呐测距数据与单帧图片成像数据，对每帧图像进行扩维，在二维地形图像的基础上，结合声呐探测数据构建三维立体地图；其中，关联声呐测距数据与单帧图片成像数据，对每帧图像进行扩维，包括：采用双线性插值法，对非测距采样点的测距值进行近似，对于图像边缘的非采样点，以距离该点最近的采样点的测距值作为其测距值；

步骤3：采用基于点线特征融合的图像拼接算法，进行多帧图像扩展拼接，实现三维全景地图合成；

其中，利用搭载有机械扫描测距声呐和单目相机的水下机器人同时对水下环境进行视觉图像和声呐测距数据采集之前，还包括：

对声呐与相机参数设定，包括：根据单目相机的水平视场角和垂直视场角设定声呐水平扫描次数n_l和垂直扫描次数n_v，声呐水平扫描间隔角为垂直扫描间隔角为单帧成像时声呐扫描测距总次数n＝n_l*n_v；

对相机视场与声呐扫描范围标定，包括：调整声呐在水平角度为垂直角度为2θ_v的矩形范围内扫描，使得声呐扫描范围中心点与相机成像中心点所在位置重合，保证声呐扫描区域与相机成像区域一致；利用使相机成像具有n_l*n_v个同样大小栅格的标定板，计算每个θ_(j，k)值：

其中，θ_(j，k)表示第(j，k)个栅格中心点和相机镜头的连线l_(j，k)与标定板中心和相机镜头中心的连线之间的夹角，其中，j，k均为整数且j∈[1，n_l]，k∈[1，n_v]；h表示相机到标定板的距离，(j，k)表示第j行，第k列的栅格中心；

设计声呐扫描轨迹，包括：声呐每轮扫过的范围，完整覆盖整个相机成像区域。

2.根据权利要求1所述的一种基于声呐和视觉图像拼接融合的水下三维地图构建方法，其特征在于，对水下环境进行声呐测距数据采集，包括：

声呐根据扫描轨迹测距n次，即完成第i轮的n次测距过程，同时相机成像第i帧，水下机器人在世界坐标系下(x_i，y_i，z_i)点视觉图像及图像中设定n个采样点的声呐测距数据采集结束；采集的声呐测距数据包括水下机器人位置(x_i，y_i，z_i)和运动坐标系下偏航角ψ，图像帧i及该帧图像中n个采样点的测距值L_(j，k)，每帧采集过程中水下机器人在(x_i，y_i，z_i)点处于静止状态；

对采集到的声呐测距值L_(j，k)进行数据处理，得到每个采样点的实际测距值m_(j，k)；

m_(j，k)＝L_(j，k)*cosθ_(j，k)。

3.根据权利要求2所述的一种基于声呐和视觉图像拼接融合的水下三维地图构建方法，其特征在于，采用双线性插值法，对非测距采样点的测距值进行近似，包括：

在第i帧图像中的非测距采样点p_(x，y)，其处在以其相邻的四个测距采样点为顶点构成的最小矩形中，四个顶点分别为p_1(x1，y1)，p_2(x2，y2)，p_3(x3，y3)，p_4(x4，y4)，对应测距值分别为m₁，m₂，m₃，m₄；则非测距采样点p_(x，y)的测距值m近似为：

其中：

r₁＝(x，y₁)；

r₂＝(x，y₂)。