深海原位激光扫描双目立体视觉成像系统
发布时间：2022-01-02 08:58
为满足深海物体原位三维测量需要,提出一种激光扫描双目立体视觉成像方法。该方法基于双目立体视觉原理,采用四维光场光线表示法,建立水下双目立体成像系统的测量模型;采用激光线扫描光条作为像素匹配线索,及基于共面约束的像素匹配算法,提高水下左、右两个相机图像像素匹配精度。通过耐高压结构设计、电气和软件设计,建立起相应的工程样机。静水压力试验表明,该工程样机能够适应4 000 m深海静水压力;实验室精度试验,采用标准球棒为测量对象,在距离样机3 m处,多次扫描三维重建后,得到两靶球球心距测量结果的标准差为2.28 mm;南海真实海域实测试验,表明样机具有深海原位三维测量重建功能,且在距离样机2 m处,对标准球棒两球心距测量结果的标准差为2.22 mm。上述研究和试验表明,研制的激光扫描双目立体视觉成像系统,具备深海原位测量功能,具有较高三维测量精度。
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
水下双目立体视觉测量模型
不同于空气中的双目立体视觉系统,水下双目立体视觉测量模型是一个多界面折射系统,存在空气、窗口玻璃、水3种介质。为描述光线在不同界面和介质中的折射和传播,本文采用四维参数化光场 L= [ u v s t ] Τ 表示光线[17],如图2所示。光线ood穿过距离为1个单位长度的两平行平面,并与两个平面分别交于点o和od。其中,矩阵 [ u v ] Τ 用来表示光线的位置点o,以记录光线的位置信息,矩阵 [ s t ] Τ 用来表示光线方向向量 o ′ o d → ,以记录光线的方向信息。以光场的四维参数化矩阵方式表示光线,方便记录和追踪光线在水下传播过程中的方向信息和位置信息[18],能够直观地描述因受折射和传播距离影响的水下双目立体视觉成像模型。
由于水下散射等原因,不可避免导致图像质量降低。为提高双目视觉像素匹配精度,采用线激光照射到被测物体表面作为左右相机像素匹配线索[19],如图3所示。激光器发出一线结构光,经平面镜反射,透过光学窗片1,投射于被测目标物,并形成由被测物体表面形状所调制的变形光条。变形光条漫反射光穿过光学窗片2、3,并被左、右相机记录。由双目视觉成像原理,只要得到物体上照明光条每一点在左右相机图像上的匹配点,即可得到物体表面的三维坐标。通过平面反射镜的转动,线结构光快速扫过被测目标物的表面,可以完整地构建被测目标物表面的三维点云图像,进而提取出被测物体表面的特征数据。由于光线在传播过程中发生折射,导致两相机行平面上的像素不符合空气中的极线约束条件[20]。为此,分析了水下扫描系统成像中的共面约束,并提出利用降维和混合积来快速匹配左右相机像素的方法,提高了匹配的速度和精度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于结构光标记的光场三维成像技术研究[J]. 吴庆阳,黄浩涛,陈顺治,李奇锋,陈泽锋,卢晓婷. 红外与激光工程. 2020(03)
[2]基于主动光照的深海图像增强算法[J]. 邓翔宇,王惠刚,张永庆. 光子学报. 2020(03)
[3]双目立体视觉检测系统正向最优化设计方法研究[J]. 丁莹,范静涛,宋天喻. 仪器仪表学报. 2016(03)
[4]非平行双目视觉系统水下成像的极线约束模型[J]. 张强,董玉,李海滨,李雅倩,张文明. 光学学报. 2016(03)
[5]海水折射率对差分激光三角法油膜厚度测量精度的影响[J]. 耿云飞,陈曦,金文,张惠群,邬海强,葛宝臻. 中国激光. 2015(04)
[6]基于非平行系统的水下图像转化模型[J]. 张文明,邓茜雪,张强,李海滨. 光子学报. 2015(02)
[7]基于最佳搜索域的水下图像区域匹配算法研究[J]. 张强,刘婷婷,李海滨,张文明,李雅倩. 光学学报. 2014(06)
[8]基于区域显著度与水下光学先验的目标检测[J]. 王慧斌,张倩,王鑫,陈哲. 仪器仪表学报. 2014(02)
[9]水下线结构光自扫描三维测量技术[J]. 解则晓,李绪勇,辛少辉,徐尚. 中国激光. 2010(08)
硕士论文
[1]基于线结构光扫描的水下三维重建技术[D]. 冀光强.中国海洋大学 2013
本文编号：3563887
【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(06)北大核心EICSCD
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
水下双目立体视觉测量模型
不同于空气中的双目立体视觉系统,水下双目立体视觉测量模型是一个多界面折射系统,存在空气、窗口玻璃、水3种介质。为描述光线在不同界面和介质中的折射和传播,本文采用四维参数化光场 L= [ u v s t ] Τ 表示光线[17],如图2所示。光线ood穿过距离为1个单位长度的两平行平面,并与两个平面分别交于点o和od。其中,矩阵 [ u v ] Τ 用来表示光线的位置点o,以记录光线的位置信息,矩阵 [ s t ] Τ 用来表示光线方向向量 o ′ o d → ,以记录光线的方向信息。以光场的四维参数化矩阵方式表示光线,方便记录和追踪光线在水下传播过程中的方向信息和位置信息[18],能够直观地描述因受折射和传播距离影响的水下双目立体视觉成像模型。
由于水下散射等原因,不可避免导致图像质量降低。为提高双目视觉像素匹配精度,采用线激光照射到被测物体表面作为左右相机像素匹配线索[19],如图3所示。激光器发出一线结构光,经平面镜反射,透过光学窗片1,投射于被测目标物,并形成由被测物体表面形状所调制的变形光条。变形光条漫反射光穿过光学窗片2、3,并被左、右相机记录。由双目视觉成像原理,只要得到物体上照明光条每一点在左右相机图像上的匹配点,即可得到物体表面的三维坐标。通过平面反射镜的转动,线结构光快速扫过被测目标物的表面,可以完整地构建被测目标物表面的三维点云图像,进而提取出被测物体表面的特征数据。由于光线在传播过程中发生折射,导致两相机行平面上的像素不符合空气中的极线约束条件[20]。为此,分析了水下扫描系统成像中的共面约束,并提出利用降维和混合积来快速匹配左右相机像素的方法,提高了匹配的速度和精度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于结构光标记的光场三维成像技术研究[J]. 吴庆阳,黄浩涛,陈顺治,李奇锋,陈泽锋,卢晓婷. 红外与激光工程. 2020(03)
[2]基于主动光照的深海图像增强算法[J]. 邓翔宇,王惠刚,张永庆. 光子学报. 2020(03)
[3]双目立体视觉检测系统正向最优化设计方法研究[J]. 丁莹,范静涛,宋天喻. 仪器仪表学报. 2016(03)
[4]非平行双目视觉系统水下成像的极线约束模型[J]. 张强,董玉,李海滨,李雅倩,张文明. 光学学报. 2016(03)
[5]海水折射率对差分激光三角法油膜厚度测量精度的影响[J]. 耿云飞,陈曦,金文,张惠群,邬海强,葛宝臻. 中国激光. 2015(04)
[6]基于非平行系统的水下图像转化模型[J]. 张文明,邓茜雪,张强,李海滨. 光子学报. 2015(02)
[7]基于最佳搜索域的水下图像区域匹配算法研究[J]. 张强,刘婷婷,李海滨,张文明,李雅倩. 光学学报. 2014(06)
[8]基于区域显著度与水下光学先验的目标检测[J]. 王慧斌,张倩,王鑫,陈哲. 仪器仪表学报. 2014(02)
[9]水下线结构光自扫描三维测量技术[J]. 解则晓,李绪勇,辛少辉,徐尚. 中国激光. 2010(08)
硕士论文
[1]基于线结构光扫描的水下三维重建技术[D]. 冀光强.中国海洋大学 2013
本文编号：3563887
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