一种基于视觉的水下测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水下测量领域，尤其涉及一种基于视觉的水下测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着陆地油气资源的逐渐枯竭，占地球面积71%的海洋开发已成为世界各国最重 要的能源战略之一。目前全球有100多个国家、地区从事海洋油气勘探与开发工作，每年投 入研发经费达数百亿美元。在海洋及深海作业环境中，海底管线、系泊系统、海洋石油钻井 设备等受海水腐蚀、自身磨蚀、流沙波浪冲击、油气载荷等侵袭容易出现损坏，由于海洋尤 其是深海环境中人员的不易达性，设备的检测和维修极其困难，一旦发生事故，损失是极为 严重的。本发明公开的技术能够实现水下物体的尺寸准确测量，为海洋安全生产提了一种 非接触式三维测量技术，还可以广泛应用于海洋科研及水下工程作业、设备修复、水下考古 和救援等领域，为水下危险环境中的作业提供先进的技术保障措施。
[0003] 目前对水下设备的检测和测量方法主要有：声纳法、电磁波传感检测、光线传感 器、水下激光成像检测等。基于视觉的水下测量技术由于灵活方便成本低的优点，得到了广 泛的研究。但在水下由于折射的存在，使得直接利用空气中的视觉测量技术会造成较大的 误差。目前几乎所有的水下视觉测量技术都使用主动视觉，例如激光或其他结构光。李擎等 提出利用三维结构光的方法进行水下测量，深度测量的精度可以达到〇.5_。（李擎等，基于 水下三维结构光的视觉测量方法研究，大连海洋大学学报，2013，27(6) :583-586)。王宗义 提出基于线线结构光视觉传感器、结构光视觉系统结构及模型的水下三维测量系统。对水 下光成像的方法进行了分析，并提出了应用线结构光视觉传感器直接对水下目标进行三维 探测的新方法(王宗义，线结构光视觉传感器与水下三维探测，哈尔滨工程大学博士学位论 文，2005)。解则晓等提出了一种水下线结构光自扫描三维测量技术，采用振镜将激光面反 射到被测空间，激光面与被测物体相交形成光条并被摄像机拍摄，根据像面上光条中每一 点的位置计算出该点由于折射产生的偏移大小并加以补偿。再利用考虑折射后的光平面水 中部分在振镜坐标系下的方程，求出物体表面的三维坐标.（解则晓，李绪勇，辛少辉等，水 下线结构光自扫描三维测量技术，中国激光，2010(08): 2010-2014)。张丽研究了采用激光 和单目相机进行水下三维定位的方法，对水下折射的影响进行修正减小深度信息的失真提 高定位精度(张丽，基于单目视觉的水下目标识别与三维定位技术研究，哈尔滨工程大学， 硕士学位论文，2010)。丁万山等提出了一种基于激光的水下物体三维形貌测量方法，具有 较高的测量精度(丁万山，刘艳.水中物体的光学三维形貌测量的研究，光学学报，2007).专 利CN104567822A公开了一种水下结构光立体视觉测程及装置获得水下视场结构及特征。
[0004] 上述已有技术中的基于主动视觉的水下三维测量技术具有如下的不足：1)激光三 角法测量存在探测盲区；2)系统体积大、重量大，缺乏灵活性;3)扫描过程中激光器需按预 定的轨迹运动才能完成一个面的测量，操作难度大;4)水介质及杂质对准直激光光束产生 严重的散射，使得理想光束成像后形成发散的光斑，严重影响了系统的测量精度。
【发明内容】
[0005] 水下测量分为二维测量和三维测量，二维测量是指相机像平面与被测平面平行， 如图1所示;三维测量是指利用双目相机测量水下物体的尺寸参数。相机标定是进行水下测 量的关键一步，其标定精度决定了测量的精度。本申请中使用的水下相机标定方法已经在 申请另外公开的专利中描述。
[0006] 为了解决现有技术中问题，本发明提供了一种基于视觉的水下测量方法，包括如 下步骤：
[0007] 步骤1:相机标定：
[0008] 步骤1.1:空气中预标定：
[0009] 步骤1.1.1:将两个相机固定在密封设备内，拍摄多幅平面标定图像，分别标定出 两个相机的内部参数矩阵；
[0010] 步骤1.1.2:通过拍摄的平面标定板的两幅图像标定出两个相机之间的基本矩阵；
[0011] 步骤1.2:水下相机标定：
[0012] 拍摄水下立体标定板图像，标定出每个相机的外部参数矩阵和相机中心距离折射 平面的距离参数d;
[0013] 步骤2:二维测量：
[0014]步骤2.1:将平面标定板放置在水中，并使其与相机成像平面平行，拍摄标定板照 片；
[0015] 步骤2.2:通过拍摄的标定板图片，检测每个角点的图像坐标，通过内参矩阵将其 转换成二维物理坐标(xi，yi);
[0016] 步骤2.3:使用公式(8)计算出每个端点距离摄像机光轴的距离，最后使用公式(9) 计算出物体的实际长度：
[0024] -种基于视觉的水下测量方法，包括如下步骤：
[0025] 步骤1:相机标定：
[0026] 步骤1.1:空气中预标定：
[0027] 步骤1.1.1:将两个相机固定在密封设备内，拍摄多幅平面标定图像，分别标定出 两个相机的内部参数矩阵；
[0028] 步骤1.1.2:通过拍摄的平面标定板的两幅图像标定出两个相机之间的基本矩阵；
[0029] 步骤1.2 :水下相机标定：
[0030]拍摄水下立体标定板图像，标定出每个相机的外部参数矩阵和相机中心距离折射 平面的距离参数d;
[0031] 步骤2:三维测量：
[0032]使用标定后的水下双目视觉设备拍摄水下标定板图像；
[0033]通过公式（18)计算水下图像坐标对应的空气中的图像坐标，然后使用前向映射的 双线性插值的方法将水下图像恢复成空气中的图像；
[0035]借助于空气中的双目测距方法，使用恢复后的空气中的图像还原三维信息，利用 公式(19)计算物体的实际距离；
[0037] 作为本发明的进一步改进，所述步骤1.1.1中，通过张氏标定法分别标定出两个相 机的内部参数矩阵。
[0038] 作为本发明的进一步改进，步骤1.2:水下相机标定:所述使用水下双目视觉系统 拍摄水下立体标定板图像。
[0039] 作为本发明的进一步改进，步骤1.2:水下相机标定:通过Tsai标定法标定出每个 相机的外部参数矩阵和相机中心距离折射平面的距离参数d。
[0040] 本发明的有益效果是：
[0041] 本申请公开了一种水下尺寸测量方法，利用建立的较为准确的水下成像模型实现 相机的精确标定。利用相机标定参数实现了水下的二维测量和双目的三维测量，通过实验 验证了本申请的方法对于水下二维和三维测量的精度在±0.2mm之间。本申请公开的技术 可以广泛应用于水下精确测量和精密探测。
【附图说明】
[0042]图1是本发明二维测量原理；
[0043]图2是本发明水下二维测量简化图；
[0044]图3是本发明水中长度计算方式；
[0045] 图4是本发明极线约束示意图；
[0046] 图5是本发明水下成像与空气中成像模型示意图；
[0047]图6是本发明双目测量示意图；
[0048]图7是本发明水下测量用的标定板；
[0049]图8a)至图8d)是水下二维测量误差，其中，图8a)是空气中的测量结果，图8b)是水 下测量结果(d = 35.7mm)，图8c)是水下测量结果(d = 42.5mm)，图8d)是水下测量结果(d = 68.7mm)；
[0050]图9是本发明重建标定板部分；
[0051]图l〇a)至图10d)是水下三维测量及误差分析，其中，图10a)是角点三维信息，图 l〇b)是拟合的标定板平面，图10c)是角点三维信息侧视图，图10d)是角点之间的距离误差。
【具体实施方式】
[0052]下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0053]实施方式1.水下二维测量方法
[0054]假设相机已经经过标定，相机的焦距为f，相机距离物体的距离为Z，（UQ，VQ)为相机 中心，通过透视成像模型可以求得图像中一点p (u，V)对应相机坐标系下的坐标(Xc，Yc，Zc) 为：
[0056]然后将相机坐标系下的坐标转换世界坐标系下的坐标，令相机的旋转矩阵
，由相机的坐标到世界坐标变换关系可得：
[0060]求得物体的三维坐标后就可以对物体尺寸进行测量。如图2所示，图像中一点（u， v)对应于世界坐标系中的一点(Xw，yw，zw)，入射光线在折射平面发生折射，水和空气的折射 率分别为n air，nwato，光线在经过折射平面前后与相机光轴的夹角分别为0water，0 air，像素坐 标距离图像中心的实际物理距离为cU，物体三维点距离光轴的距离为dw，入射光线与折射平 面的交点距离光轴的距离为do,假设相机已经经过标定，即相机内部参数已知，可以求取图 像中像素点距离图像中心的物理距离
[0062]其中：f X，f y-一相机两个方向的像素尺度；
[0063] (u〇，vo) 图像中心的像素坐标。
[0064]由图2可知di、心与山之间存在如下对应关系：
[0066] 由Snell定律可知：
[0067] HairS