[发明专利]基于光度立体法和激光三角法的水下高精度三维重建方法

说明书

基于光度立体法和激光三角法的水下高精度三维重建方法,包括标定相机、设置光源角度、获取激光平面参数、获取图像，在水下光度立体法步骤中设定水下成像模型、水下光度立体模型和水下相机折射模型,通过激光三角法获得激光平面与目标物体相交点的高度，在水下光度立体融合步骤中进行弱透视图像、水下图像复原和之后的光度立体高度重建，最后进行水下光度立体高度矫正，得到物体表面高度重建结果。本发明可针对海底局部地表或者海底小目标物体进行高分辨率高精度三维重建；以水下相机折射成像模型为依据实现水下光度立体法和水下激光三角法；使用激光来获取物体表面真实尺度，配合水下光度立体技术来获取待重建物体的真实尺度和重建模型。

技术领域

本发明属于计算机视觉水下三维重建技术领域，尤其涉及一种基于光度立体法和激光三角法的水下高精度三维重建方法。

背景技术

三维重建是指对现实世界中的物体建立计算机能够表示和处理的数学模型，是计算机表达现实世界的重要技术。通过三维重建，计算机获得真实场景中物体的三维信息，能够在多方面展示物体的特性。因此，三维重建技术可应用于多个领域，例如：文化遗产保护、临床医学、自动驾驶、地形勘探、装备制造等。

光度立体是一种根据物体表面反射光强变化恢复三维结构的技术。相比于结构光法、三角测距法、阴影恢复形状法等方法，光度立体法的重建精度更高，能够恢复连续表面的细节变化。然而光度立体法应用于水下三维重建时会产生畸变。在激光三角法中，线激光器发出结构光照射在被测物体上，通过计算图像中激光线上的像素点的深度值，就能够恢复出物体的三维结构。在水下环境中，复杂的水质对光源产生影响从而导致传统光度立体法的精度降低，导致三维重建结果与实际物体高度存在误差。水下线激光三角法虽然可以获得准确的三维物体点信息，但重建结果稀疏。综上，水下光度立体技术受限于水质的要求，现有的光度立体技术无法应用到复杂多变的水质中三维重建，需要提出一种新型水下三维重建方法。

发明内容

本发明针对水下光度立体法三维重建误差大的局限性，提供了一种基于光度立体法和激光三角法的水下高精度三维重建方法。依靠本发明提供的装置及方法可以对水下环境的物体进行三维重建，重建出误差小、表面细节丰富的三维模型。

1、基于光度立体法和激光三角法的水下高精度三维重建方法，其特征是包括以下步骤：

0)设计水下高精度三维重建装置

该装置包括一个圆形的框架，该框架上固定六个光源灯和两个线激光器，相机位于圆形支撑框架中心的正上方，光源以相机为圆心且环形等间距均匀分布；

以相机世界坐标系为准，光源在XOY平面的分布角度(Tilt角)为0°、60°、120°、180°、240°、300°，光源的主轴方向指向相机的光轴，与垂直方向(Z轴)的夹角(Slant角)为45°；

两个线激光器的光路在XOY平面中相互垂直；框架的正下方是一个物体托盘，用于放置被重建物体；该装置中，相机的成像平面、光源的分布平面、物体的放置平面相对平行；

1)标定相机、设置光源角度、获取激光平面参数

开启相机，调整线激光器的位置，使得垂直激光线和平行激光器的交叉点位于相机成像的正中心；将标定板放于相机的正下方，手动控制标定板的旋转和平移，依次拍摄垂直激光线和水平激光线照射在标定板上的多张图片；通过标定获得相机内参数，再根据两个激光线与标定板的交点坐标得到两个激光平面方程；

2)获取图像

为了避免环境光的干扰，该装置在黑暗环境下进行拍摄，把该装置放入水下环境中，使得相机浸入水中，六个光源灯按照Tilt角从0°到300°依次照射，通过相机拍摄六个角度光照下的待重建物体图片；关闭所有光源灯，依次打开两个线激光器，拍摄垂直激光线照射在物体上的图片和水平激光线照射在物体上的图片；

3)水下光度立体法

a.水下成像模型