一种遥控水下三维重建系统的制作方法

本实用新型涉及一种可通过遥控方式进行水下目标定位与水下光度立体三维重建的装置及方法，属于水下视觉技术领域。

背景技术：

水下三维成像技术是探索海洋的重要技术，可用于海底地形地貌探测、海底考古、海洋生物研究等领域。目前进行水下探测任务的装置主要依赖声纳，但是其存在探测精度低、返回数据无颜色信息等缺点，无法满足水下精确探测的要求。在此背景下，水下光学探测技术成为领域内的研究热点。

水下环境复杂多变，会对水下光学成像产生不利影响，既包括水体对光线的吸收、散射带来的图像整体偏暗、模糊和色偏外，还包括装置推进器运行导致的水体流动带来的图像模糊。

目前主流的水下光学成像装置可分为两大类：

(1)第一类是通过可见光获取图像然后处理，如已授权的发明专利“基于结构光技术和光度立体技术的水下三维重建装置及方法”(专利号：ZL 2015 1 10298.1)和“水下高精度三维重建装置及方法”(专利申请号：201610183822.7)中涉及的装置。这类装置的优势在于获取数据的速率快，可获取颜色信息；其不足在于要求装置必须座底拍摄，即其可拍摄区域位于装置正下方；

(2)第二类是通过获取的多帧激光图像，以扫描方式实现水下目标的三维重建，如加拿大2G ROBOTICS公司的产品级水下激光扫描仪(涉及专利“Laser scanner assembly”，专利号：8542413)。这类装置的优势在于不要求装置必须座底，可以在悬浮状态下工作；其不足在于，单纯采用激光扫描方式获取数据速率慢，且无法获取颜色信息。

技术实现要素：

本实用新型涉及一种可通过遥控方式进行水下目标定位与水下光度立体三维重建的装置及方法。装置融合了上述两类水下光学成像装置的优势，可实现座底、悬浮两种工作状态下的水下目标三维重建，数据获取速率快，且可获取目标区域颜色信息。方法为基于单线激光优化的水下光度立体算法，可得到高精度的三维重建结果。

一种遥控水下三维重建系统，其特征在于包括一个框架，框架左右两侧各设有一个横向推进器，框架的顶部左右两侧各设有一个纵向推进器，框架顶部有一个耐压仓，该耐压仓内部设有一个水下摄像机，该水下摄像机配有两个光源，在框架内的中部设有一个外挂光度立体拍照装置，外挂光度立体拍照装置包括一个转动轴以及用于锁定转动轴的螺栓，转动轴上固定有一个高清水下摄像机，高清水下摄像机外周安装一个多爪支架，多爪支架的爪架数不少于三个，且高清水下摄像机位于多爪支架的中心，该高清水下摄像机还配有一个可调式激光器，多爪支架的末端分别安装一个带角度调节机构的LED光源，且LED光源等间距分布在高清水下摄像机四周，所述高清水下摄像机与多爪支架随转动轴转至高清水下摄像机的光路水平或竖直后，通过螺栓对转动轴进行锁定。

所述激光器的光线图案为一字型图案。

该框架由PP材料制成，框架上还附有浮力材料。

激光器是一个可根据实际需要改变位置和角度的绿激光器(波长532nm)。

该耐压仓外部的壳体由亚克力材料制成。

框架的底部设有多个可手动锁止的滚轮5。

耐压仓内部包含220V转24V、220V转12V、220V转5V三种变压器，用于给推进器、光源、LED光源、激光器以及控制电路供电。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型针对现有的水下光度立体装置只能实现座底观测的缺点，以及现有的水下激光扫描装置获取数据速率慢且无颜色信息的缺点，融合了上述两类水下光学成像装置的优势，可通过岸基遥控实现座底、悬浮两种工作状态下的水下目标三维重建，数据获取速率快，且可获取目标区域颜色信息。

附图说明

图1为本实用新型的正视示意图(光度立体拍照装置前视)；

图2为本实用新型的左视示意图(光度立体拍照装置前视)；

图3为本实用新型的俯视示意图(光度立体拍照装置前视)；

图4为本实用新型的正视示意图(光度立体拍照装置俯视)；

图5为本实用新型的左视示意图(光度立体拍照装置俯视)；

图6为本实用新型的俯视示意图(光度立体拍照装置俯视)；

图7为本实用新型中外挂光度立体拍照装置的结构示意图；

图8为本实用新型中外挂光度立体拍照装置的光路示意图，其中虚线为高清水下摄像机的光轴，实线箭头表示6个LED光源的光照方向，虚线箭头表示激光器发出的激光的方向。

其中，1、框架，2、横向推进器，3、光源，4、水下摄像机，5、滚轮，6、纵向推进器，7、耐压仓，8、LED光源，9、高清水下摄像机，10、激光器，11、转动轴，12、螺丝孔，13、角度调节机构，14、多爪支架，15、外挂光度立体拍照装置。

具体实施方式

如图1-8，一种遥控水下三维重建系统，其特征在于包括一个框架1，框架1左右两侧各设有一个横向推进器2，框架1的顶部左右两侧各设有一个纵向推进器6，通过基于树莓派和pixhawk的飞控系统，实现装置在深度不大于50米的水域进行四自由度移动(包含上下移动、前后移动、左右转向和翻转)、悬浮或座底；

框架1顶部有一个耐压仓7，该耐压仓7内部设有一个水下摄像机4，该水下摄像机4配有两个光源3，水下摄像机4配合框架1顶部前端两侧位置的光源3，可获取装置前方实时视野；

在框架1内的中部设有一个外挂光度立体拍照装置15，外挂光度立体拍照装置15包括一个转动轴11以及用于锁定转动轴11的螺栓，转动轴11上固定有一个高清水下摄像机9，高清水下摄像机9外周安装一个多爪支架14，多爪支架14的爪架数不少于三个，且高清水下摄像机9位于多爪支架14的中心，该高清水下摄像机9还配有一个可调式激光器10，多爪支架14的末端分别安装一个带角度调节机构13的LED光源8，且LED光源8等间距分布在高清水下摄像机9四周，所述高清水下摄像机9与多爪支架14随转动轴11转至高清水下摄像机9的光路水平或竖直后，通过螺栓对转动轴11进行锁定；图中，通过在转动轴11附件设置螺丝孔12，从而通过向螺丝孔12插入螺栓对转动轴11进行锁定，实现装置前视与俯视两种拍摄状态的转换与固定。

附图中，外挂光度立体拍照装置15配以呈碗口型的六爪支架，位于支架中心位置的一个高清水下摄像机，和位于六爪支架端点位置的、投影间隔60度(光度立体算法中的Tilt角)、可根据实际需要通过角度调节机构调整其与高清水下摄像机之间的角度(光度立体算法中的Slant角)的六个白光LED光源。

所述激光器10的光线图案为一字型图案。

该框架1由PP材料制成，框架1上还附有浮力材料。

激光器10是一个可根据实际需要改变位置和角度的绿激光器(波长532nm)。

该耐压仓7外部的壳体由亚克力材料制成。

框架1的底部设有多个可手动锁止的滚轮5。

耐压仓7内部包含220V转24V、220V转12V、220V转5V三种变压器，用于给推进器、光源、LED光源、激光器以及控制电路供电。

本实用新型的具体操作流程为：

(1)通过滚轮5将装置运送至工作地点；

(2)根据拍照需求选择前视或俯视工作方式，通过转动轴11调整外挂光度立体拍照装置15的状态，并通过螺栓将其固定；

(3)通过角度调节机构13，调整LED光源8与高清水下摄像机9之间的夹角；

(4)根据拍照需求确定激光器10的位置和角度，并固定；

(5)标定高清水下摄像机9的内参数和激光器10发出的激光平面的参数；

(6)装置入水；

(7)打开耐压仓7中的水下摄像机4和光源3，获取装置前方的实时视野；

(8)通过岸基遥控横向推进器2和纵向推进器6，调整装置的位置，实现装置在水下的四自由度移动(包含上下移动、前后移动、左右转向和翻转)，使装置到达指定位置，并根据拍照需求调整装置姿态为座底或悬浮；

(9)关闭耐压仓7中的水下摄像机4和光源3；打开外挂光度立体拍照装置15的高清水下摄像机9；

(10)打开激光器10，获取目标区域的水下激光图像；

(11)关闭激光器10，打开LED光源8，获取不同光照方向下的彩色图像(LED光源8包含六个不同位置、不同光照方向的LED光源，每次拍照只打开其中一个LED光源，拍照完毕后关闭这个LED光源，一共可获取六张彩色图像)；

(12)关闭外挂光度立体拍照装置15的高清水下摄像机9；

(13)重复步骤(7)至步骤(12)，使装置转向下一指定位置，获取下一组配套算法进行水下三维重建所需的图像；

(14)装置出水，归仓保养；

(15)通过配套算法得出拍摄的水下目标区域的高精度三维信息。

配套算法描述如下：

1、对步骤(10)获取的水下激光图像，可通过激光三角法得到激光线上对应位置的三维信息，具体为：

假设世界坐标系原点为OW，相机坐标系原点为OC，图像坐标系原点为Oi，则图像上某一像素点坐标(u，v)与其在相机坐标系中的坐标(x，y，1)的关系如式1所示：

其中K为相机内参，如式2所示：

K可通过拍摄标定板图像，利用张正友标定法得出。其中fx，fy为相机的焦距，cx，cy为图像坐标系与相机坐标系之间的偏移量。

将式2代入式1可得：

根据透视成像原理，可知目标上某一点I在相机坐标系下的坐标(xc，yc，zc)与图像中其对应成像位置点的坐标(x，y，1)的关系如式4所示：

由于相机坐标系与世界坐标系的原点并不重合，因此存在一个转移矩阵，将相机坐标系下的坐标(xc，yc，zc)转换为世界坐标系下的坐标(Xr，Yr，Zr)，即：

为简化运算，可假设世界坐标系与相机坐标系只在Z轴上有距离为L的平移，则此时有式6：

假设世界坐标系下的激光平面方程为：

AX+BY+CZ+D＝0 (式7)

假设激光平面与目标表面相交于点I，则联立式4、式6和式7，可求得：

将式3代入式8即可得到目标表面某点I在世界坐标系下的坐标(Xr，Yr，Zr)与其在图像中的像素坐标(u，v)的关系。

对激光线上的所有像素点进行以上操作，即可得到激光线上的点对应目标位置的三维信息。

2、对步骤(11)获取的水下彩色图像，可通过光度立体算法得到目标区域的三维形状信息，具体为：

在朗伯模型的条件下，空间中物体上一点的成像情况可以表达为：

I＝ρLn (式9)

其中，I是观测到的图像亮度值矩阵，ρ是物体表面反照率，n是一个向量，表示需要求解的物体表面法向。L是表示光的入射方向的向量，其向量表达式为：

其中，入射光i与相机光轴夹角(Slant角)为σ，入射光在物体所在平面的投影与x轴正方向的夹角(Tilt角)为τ。装置中有六个光照，则将这六个光照的方向向量li按照顺序合并构成3*6的光照方向矩阵L＝[l1…l6]。

假设每幅图像的大小为m*n。分别将每幅图像的像素值矩阵拉伸为一个mn*1的列向量，再将这六个列向量组合构造成一个mn*6的图像矩阵I。在式9中，各像素点的亮度值已知，光照入射方向已知，由于反照率ρ为标量，仅对所求法向n的各分量造成等比例的影响，所以可以将反照率ρ与物体表面法向n的乘积定义为Na，其表达式如下所示：

Na＝IL^-1 (式11)

设物体上某点的表面法向在ｘ轴及y轴的偏导分别为和其中S(ｘ,y)为物体在(ｘ,y)处的高度。则n的数学表达形式为：n＝[p q -1]^T，其具体表达式为：

由式11得到的Na为反照率与法向的乘积，其中反照率是标量，对各分量的比例没有影响，所以p和q可以通过Na在x轴及y轴的分量比值求解，表达式如下所示：

最后对全图的法向信息进行积分，即可得到目标区域的三维形状信息。

3、通过以上求得的激光线上的点对应目标位置的三维信息，对目标区域的三维形状信息进行优化，即可得到目标区域的高精度的三维重建结果，具体为：

(1)用平面线性函数分布拟合两个方向的梯度，获得线性偏差函数的初始参数。

(2)从线性偏差函数的初始值开始，在两个梯度方向上同步进行偏差幅度的累计微调。用调整的梯度重新积分，得到高度。将所求高度对比激光位置真实值。

(3)在迭代中，当光度立体所求修正高度与激光高度的取得最小误差时，即获得最终的优化梯度即高度。