基于线结构光的深海小区域三维重建
发布时间：2021-08-11 05:19
深海是地球上最大的未知区域,蕴藏着人类社会未来发展所需的各种战略物资和能源。实现海底地形地貌的高精度三维重建,可以为目标识别、地质勘查、矿藏估计、环境监测和潜水器路径规划等水下作业提供可靠依据。本文基于线结构光法三维重建的原理,针对海底热点科研区域（冷泉区、热液区和矿产区等）,设计了由线激光器和摄像机组成的视觉传感器,融合“蛟龙号”载人潜水器的导航定位数据与姿态信息,搭建深海三维重建系统。具体研究内容有:（1）本文针对拍摄的水下图像特征,研讨了基本的图像处理算法,选择高斯滤波对图像降噪,使用腐蚀膨胀算法减少水中悬浮物的影响,通过伽马矫正来增强图像特征,达到图像预处理的目的。（2）结构光条纹中心线提取的准确度决定了三维重建的精度,本文通过改进的Steger算法,实现了亚像素级的中心线快速提取,通过程序检测表明提取准确度达到98%以上。（3）相机标定是三维重建系统能否反映真实目标特征的关键,本文根据射影几何特性,使用直接标定法计算图像坐标,并与视觉传感器的位移相结合,实现像素坐标向真实世界坐标的转化,通过实验验证,直接标定法的准确度达到97%以上。（4）为了保证整个区域地形地貌重建的连续性...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水下三维重建分类图
青岛科技大学硕士生学位论文72深海线结构光三维重建原理线结构光三维重建是主动单目视觉法，本文基于光学三角法原理，设计视觉传感器，采集海底地形地貌的特征变换，通过相机标定，完成图像中结构光的坐标转化，并设计与潜水器的数据融合算法，形成区域点云坐标，实现三维重建。2.1光学三角法原理光学三角法是通过激光器发射光束到被测目标，使用图像采集设备（相机、摄像机等）获取有投影光线的图像，根据三角测量原理计算激光器到被测目标距离的方法。三角法测量分为直射式和斜射式，直射式原理如图2-1所示。是被测目标的基准面，是目标表面高度变化后的光线位移面，激光由投射器垂直投影到基准面O点，P点为O点对应的像平面点，接收到的光束反射角为，O点、P点到透镜中心的距离分别为m、n，则有如下关系：图2-1直射式三维测量原理图Figure2-1Principlediagramofdirect3Dmeasurement(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)ll￠qsinrma=22cosmrma-=cosryb=coscos(())2pb=p-q--a22mrnrx-=
取含有畸变条纹的图像，激光器和摄像机组成视觉传感器；然后，进行水下图像的预处理，设计结构光中心线提取算法，确定激光线的中心像素坐标；再采用标定面直接标定法，将图像的像素坐标转化为世界坐标；之后，与载人潜水器的多传感器数据进行融合，计算出潜水器的导航坐标和姿态信息，根据导航坐标将图像统一到唯一的固定世界坐标系下，根据姿态角度进行图像的侧倾、纵倾和转向矫正；最后，保持激光器和摄像机的相对位置不变，对目标区域进行扫描，获取完整的点云信息，实现三维重建。视觉传感器示意图和三维重建系统组成如图2-2和图2-3所示：图2-2视觉传感器示意图Figure2-2Visualsensorschematic
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进粒子滤波的AUV海底地形辅助定位方法[J]. 韩月,陈鹏云,沈鹏. 智能系统学报. 2020(03)
[2]基于线结构光的水下双目测量方法[J]. 解则晓,李俊朋,迟书凯. 中国激光. 2020(05)
[3]水下双目视觉系统的高精度测量模型[J]. 解则晓,余江姝. 电脑知识与技术. 2019(20)
[4]利用测深侧扫数据和明暗恢复形状方法实现地形修正[J]. 程亚楠,刘晓东,张东升,曹金亮,王晏宾. 仪器仪表学报. 2019(07)
[5]非平行双目视觉系统水下标定与测量[J]. 解则晓,余江姝,迟书凯,李俊朋,李美慧. 光学学报. 2019(09)
[6]高精度测深侧扫系统在载人潜水器中的应用[J]. 赵晟娅,杨磊,刘保华,丁忠军,王向鑫. 海洋测绘. 2019(03)
[7]基于视觉的三维重建关键技术研究综述[J]. 郑太雄,黄帅,李永福,冯明驰. 自动化学报. 2020(04)
[8]复杂环境下结构光中心线提取算法[J]. 杨镇豪,杨柳,李辉,陈建政. 计算机技术与发展. 2018(09)
[9]基于直方图均衡化与形态学处理的边缘检测[J]. 王淑青,姚伟,陈进,潘健,张子蓬,袁晓辉. 计算机应用与软件. 2016(03)
[10]基于图像线特征和点云面特征的水下人造目标定位[J]. 解则晓,潘成成,迟书凯,魏征. 中国图象图形学报. 2015(08)
博士论文
[1]水下多通道真彩色三维重建与颜色还原方法研究[D]. 杨宇.中国海洋大学 2014
[2]基于图像点特征的三维重建方法研究[D]. 康来.国防科学技术大学 2013
[3]基于图像的目标识别与跟踪方法研究[D]. 邢卓异.哈尔滨工程大学 2007
[4]线结构光三维传感中关键技术研究[D]. 吴庆阳.四川大学 2006
[5]线结构光视觉传感器与水下三维探测[D]. 王宗义.哈尔滨工程大学 2005
硕士论文
[1]基于结构光视觉的非合作目标位姿估计与三维重构研究[D]. 祝宁宇.哈尔滨工业大学 2019
[2]条纹管激光雷达水下三维成像及图像处理研究[D]. 袁清钰.深圳大学 2018
[3]基于网格结构光的三维重建技术研究[D]. 孙佳睿.哈尔滨工业大学 2018
[4]基于双目立体视觉的水下高精度三维重建方法[D]. 魏景阳.哈尔滨工业大学 2017
[5]深海载人潜水器组合导航误差补偿算法研究[D]. 王冠群.东北大学 2015
[6]长基线导航系统滤波算法的研究与实现[D]. 林燕平.沈阳理工大学 2015
[7]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
[8]双边滤波算法的快速实现及其在图像处理的应用[D]. 李俊峰.南方医科大学 2013
[9]基于双目立体视觉的水下三维重建[D]. 王玲玲.浙江大学 2011
[10]相机标定与三维重建技术研究[D]. 李云翔.青岛大学 2009
本文编号：3335536
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水下三维重建分类图
青岛科技大学硕士生学位论文72深海线结构光三维重建原理线结构光三维重建是主动单目视觉法，本文基于光学三角法原理，设计视觉传感器，采集海底地形地貌的特征变换，通过相机标定，完成图像中结构光的坐标转化，并设计与潜水器的数据融合算法，形成区域点云坐标，实现三维重建。2.1光学三角法原理光学三角法是通过激光器发射光束到被测目标，使用图像采集设备（相机、摄像机等）获取有投影光线的图像，根据三角测量原理计算激光器到被测目标距离的方法。三角法测量分为直射式和斜射式，直射式原理如图2-1所示。是被测目标的基准面，是目标表面高度变化后的光线位移面，激光由投射器垂直投影到基准面O点，P点为O点对应的像平面点，接收到的光束反射角为，O点、P点到透镜中心的距离分别为m、n，则有如下关系：图2-1直射式三维测量原理图Figure2-1Principlediagramofdirect3Dmeasurement(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)(2-5)ll￠qsinrma=22cosmrma-=cosryb=coscos(())2pb=p-q--a22mrnrx-=
取含有畸变条纹的图像，激光器和摄像机组成视觉传感器；然后，进行水下图像的预处理，设计结构光中心线提取算法，确定激光线的中心像素坐标；再采用标定面直接标定法，将图像的像素坐标转化为世界坐标；之后，与载人潜水器的多传感器数据进行融合，计算出潜水器的导航坐标和姿态信息，根据导航坐标将图像统一到唯一的固定世界坐标系下，根据姿态角度进行图像的侧倾、纵倾和转向矫正；最后，保持激光器和摄像机的相对位置不变，对目标区域进行扫描，获取完整的点云信息，实现三维重建。视觉传感器示意图和三维重建系统组成如图2-2和图2-3所示：图2-2视觉传感器示意图Figure2-2Visualsensorschematic
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进粒子滤波的AUV海底地形辅助定位方法[J]. 韩月,陈鹏云,沈鹏. 智能系统学报. 2020(03)
[2]基于线结构光的水下双目测量方法[J]. 解则晓,李俊朋,迟书凯. 中国激光. 2020(05)
[3]水下双目视觉系统的高精度测量模型[J]. 解则晓,余江姝. 电脑知识与技术. 2019(20)
[4]利用测深侧扫数据和明暗恢复形状方法实现地形修正[J]. 程亚楠,刘晓东,张东升,曹金亮,王晏宾. 仪器仪表学报. 2019(07)
[5]非平行双目视觉系统水下标定与测量[J]. 解则晓,余江姝,迟书凯,李俊朋,李美慧. 光学学报. 2019(09)
[6]高精度测深侧扫系统在载人潜水器中的应用[J]. 赵晟娅,杨磊,刘保华,丁忠军,王向鑫. 海洋测绘. 2019(03)
[7]基于视觉的三维重建关键技术研究综述[J]. 郑太雄,黄帅,李永福,冯明驰. 自动化学报. 2020(04)
[8]复杂环境下结构光中心线提取算法[J]. 杨镇豪,杨柳,李辉,陈建政. 计算机技术与发展. 2018(09)
[9]基于直方图均衡化与形态学处理的边缘检测[J]. 王淑青,姚伟,陈进,潘健,张子蓬,袁晓辉. 计算机应用与软件. 2016(03)
[10]基于图像线特征和点云面特征的水下人造目标定位[J]. 解则晓,潘成成,迟书凯,魏征. 中国图象图形学报. 2015(08)
博士论文
[1]水下多通道真彩色三维重建与颜色还原方法研究[D]. 杨宇.中国海洋大学 2014
[2]基于图像点特征的三维重建方法研究[D]. 康来.国防科学技术大学 2013
[3]基于图像的目标识别与跟踪方法研究[D]. 邢卓异.哈尔滨工程大学 2007
[4]线结构光三维传感中关键技术研究[D]. 吴庆阳.四川大学 2006
[5]线结构光视觉传感器与水下三维探测[D]. 王宗义.哈尔滨工程大学 2005
硕士论文
[1]基于结构光视觉的非合作目标位姿估计与三维重构研究[D]. 祝宁宇.哈尔滨工业大学 2019
[2]条纹管激光雷达水下三维成像及图像处理研究[D]. 袁清钰.深圳大学 2018
[3]基于网格结构光的三维重建技术研究[D]. 孙佳睿.哈尔滨工业大学 2018
[4]基于双目立体视觉的水下高精度三维重建方法[D]. 魏景阳.哈尔滨工业大学 2017
[5]深海载人潜水器组合导航误差补偿算法研究[D]. 王冠群.东北大学 2015
[6]长基线导航系统滤波算法的研究与实现[D]. 林燕平.沈阳理工大学 2015
[7]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
[8]双边滤波算法的快速实现及其在图像处理的应用[D]. 李俊峰.南方医科大学 2013
[9]基于双目立体视觉的水下三维重建[D]. 王玲玲.浙江大学 2011
[10]相机标定与三维重建技术研究[D]. 李云翔.青岛大学 2009
本文编号：3335536
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