基于水下鱼眼图像的对极几何及立体匹配算法研究

发布时间：2021-11-12 02:19

　　海洋有着丰富的资源,针对具有巨大挑战的深海环境进行探测与开发是现在海洋研究领域的重点工作,双目立体视觉作为计算机视觉领域的重要组成部分,是机器人深海探测的核心组成部分。其中,具有大视场角的鱼眼镜头对于丰富的海洋环境探索有重要意义,为水下立体视觉研究带来更加丰富的海洋信息。立体匹配是双目立体视觉系统中最关键的步骤,其匹配结果直接会影响空间点三维信息的精确度,从而决定立体视觉技术的应用价值。本文以水下双目鱼眼立体视觉系统为研究对象,针对水下鱼眼图像因双重畸变和图像失真而导致匹配精度下降的问题,提出了一种基于球面型玻璃防水罩的水下双目鱼眼成像模型和稠密立体匹配算法,可为水下鱼眼视觉发展提供一定的理论指导。本文所选课题内容囊括下面几部分工作:首先,针对水下平面玻璃罩双目鱼眼成像系统在进行真实场景实验时拍摄效果较差,建立了基于球面玻璃防水罩的水下双目鱼眼成像模型,并推导出水下鱼眼图像极曲线;同时,提出一种用以计算具有不规则像素的离散球面图像的梯度算子,利用鱼眼图像的颜色信息和梯度信息进行代价计算,在一定程度上保存了图像的边缘信息,实现了水下鱼眼图像的立体匹配。通过仿真实验验证了所建模型及所推导极... 

【文章来源】：燕山大学河北省

【文章页数】：79 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

参考图、在普通相机的双目视觉立体匹配中，

视觉的研究邻域中，相机起着非常重要的作用，相机的成像过程是将现实中存在的三维信息转换为平面的二维图像信息。然而，立体视觉的处理工作便是相机拍摄的一个逆过程，即将平面的二维图像信息还原成现实场景的三维信息。在三维场景信息的获取过程中，立体匹匹配作为三维重建的前序过程，是一个极为重要的环节。在双目立体匹配中，通过双目相机获取的左右两张图片分别为参考图（ReferenceImage）和目标图（TargetImage），针对所获得的一对图片利用相似度度量函数衡量两像素点间的相关性，可以获得图片的稠密视差图[49]，如下图2-1所示。图2-1参考图、目标图和视差图在普通相机的双目视觉立体匹配中，国内外相关研究较为成熟，也取得了不错的成绩。但是，就鱼眼图像的立体匹配研究工作来说，起步相对较晚，然而针对水下鱼眼图像的立体匹配研究则更是微乎其微，即没有形成完整的理论体系。广角的鱼眼镜头有着不同于其他普通相机的投影原理，同时，由于超广角的鱼眼相机本身存在着很大畸变，使得获取的图片发生严重的变形，导致常规图像的匹配算法已经不再适用于鱼眼图像。虽然这两种成像系统存在着一定差异，但其核心理论依据有着相似之处，所以可以将普通常规图像的一些方法可以引荐到水下鱼眼图像上来。那么，如果要对水下双目鱼眼成像系统进行相关研究，则需要对常规图像相关理论进行简单论述和总结。在本章中，以双目立体视觉系统为模型，对立体视觉相关理论进行介绍。首先详细阐述了鱼眼相机与常规相机投影原理的不同之处；其次，对极线几何、视差理

第2章双目视觉立体匹配理论基础-13-图2-2摄像机投影成像模型在图2-2小孔成像模型中，空间中任意一点P与光心cO所在的射线cPO和成像面的交点即为像点（或物点），但是不仅点P会在成像平面上得到像点px,y，直线cPO上的任意一点与光心cO的连线都会与成像平面交于同一像点px,y，例如图中所示的M点和N点，这是一种多对一的复杂关系。因此，仅仅依靠单幅图像的唯一像素点信息无法得到真实空间点的深度位置信息，只能得到一系列诸如P、M、N点的多解信息点，则必须借助多角度2D信息来确定像点所对应的场景三维信息[51]。(2)鱼眼相机成像模型对于大视角的镜头，是通过模拟鱼类从水中仰视水面的物体形成的视觉成像效果，在一定程度上打破了传统相机90限制范围的拍摄角度，能够获得视场角达180甚至更大角度的全景图像，但是大视场角的获得是以牺牲图像大程度畸变为前提的。然而，鱼眼图像虽然存在一定变形，但是空间点与像点之间的映射关系是明确的，并且图像质量在允许范围内是保持不变的，这些优点给予了鱼眼镜头科学研究的可行性更好理论保障。如下图2-3所示为鱼眼镜头成像过程，通常选用非线性近似投影模型来描述其成像过程，例如：等立体角投影、正交投影和体式投影模型等[25]。首先，空间内任意一点Q线性的投影到鱼眼镜头表面一点P，接着该点P经过相机光心cO按照近似投影模型非线性的投影到成像平面p点而获得鱼眼图像。在实际的相机应用中，空间点Q通过近似投影模型所得到的像点p为理想投影点，但由于鱼眼


本文编号：3490000