CN113129430B - 基于双目结构光的水下三维重建方法 - Google Patents

基于双目结构光的水下三维重建方法 Download PDF

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Abstract

基于双目结构光的水下三维重建方法，包括相机参数标定，将目标物体置于水中，使用投影光机按顺序向目标物体投射格雷码条纹图，共采集80张图像；对获得的图像进行畸变矫正；图像进行二值化并解码到十进制，最终得到4张解码图；进行对应点匹配操作；之后进行水下双目立体成像。目前常用的方法有基于双目立体视觉的三维重建，该方法使用匹配算法进行特征点的匹配，而本方法使用结构光辅助这一物理技术来提高匹配的精度，使匹配所得的结果更加真实可靠，从而可以提高三维重建的精度，并且结合水下相机折射模型，将三维重建技术应用于水下场景。

Description

基于双目结构光的水下三维重建方法
技术领域
本发明属于计算机视觉水下三维重建技术领域，涉及一种基于双目结构光的水下三维重建方法。
背景技术
水下三维重建，是指通过摄像机及辅助设备获取水下物体的数据图像，根据摄像机拍摄的图像重建物体在水下环境中的三维信息的过程。水下三维重建具有广泛的应用领域，包括水下自主航行器导航、海底勘查、海洋环境监测以及水下目标识别等领域,具有重要的学术意义和实用价值。
双目结构光是一种基于结构光编解码与水下折射模型来实现高精度三维重建的技术。相比于双目立体视觉、激光扫描等技术，双目结构光既有双目视觉测量方面的理论基础，可以省去对投影仪复杂的标定，又有结构光来增加物体表面的几何特征信息，能够避免双目立体视觉中对弱纹理或重复纹理区域匹配困难的问题，从而较传统的双目立体视觉测量方法有更高的测量精度。但目前双目结构光多用于陆地，倘若应用于水下，势必面临折射与散射的问题。
而折射与散射会给测量精度带来误差，因此为了修正折射与散射导致的误差以获得高精度的三维重建结果，需要结合水下折射模型将双目结构光技术应用于水下，从而实现在使用结构光提高精度的同时可以对水下物体进行三维重建。
发明内容
本发明结合水下折射模型将双目结构光技术应用在水下，提出一种基于双目结构光的水下三维重建方法。
基于双目结构光的水下三维重建方法，其特征是包括以下步骤：
S1.相机参数标定：首先设定相机焦距、光圈，使其在拍摄过程中保持不变；通过张正友标定法在空气中获得相机的内外参，以双目相机以左相机的光心为世界坐标系原点，标定得到右相机的外参；相机中心到保护壳玻璃的距离为h，光线在水介质中的折射率为n，通过棋盘格标定板在水中标定：
为了准确的估计水下折射模型参数，需要借助已知位置的点，本方法将水下相机和棋盘格标定板的位置相对固定，并分别在空气中和水中拍摄固定位置的同一标定板；
在空气中对水下相机标定时，可同时计算出棋盘格标定板上的角点在相机坐标系下的准确位置，将这些已知位置的角点作为水下折射模型参数标定的关键点；取位于相机光轴附近的两个角点P1，P2作为关键标定点，其中，两个关键标定点在相机坐标下的真实深度值为Zr1， Zr2(已在空气中准确标定)，已知两个关键标定点对应的虚拟深度值为Zv1，Zv2，其在X、Y 轴方向上的坐标值与真实点相同，可通过针孔透视模型计算得到；如此，可得到水下折射模型参数h，n的代数表达式：
Figure BDA0003004463240000021
Figure BDA0003004463240000022
S2.图像采集：设备采用双目工业相机和DLP投影光机，该投影光机可以投射一系列编码结构光的图像，本方法采用10位格雷码编码结构光，包括10张横向正格雷码，10张横向逆格雷码，10张纵向正格雷码，10张纵向逆格雷码，共40张；其中横向格雷码条纹可对图像行方向上的像素进行唯一编码，纵向格雷码条纹可对列方向上的像素进行唯一编码；格雷码条纹图是黑白条纹相间的图像，其中，黑色条纹，代表编码值为0，白色条纹，代表编码值为1；正格雷码条纹图用于对二维图像的行进行编码，逆格雷码条纹图与正格雷码条纹图编码值相反，即正格雷码条纹图中的黑色条纹变为白色条纹，白色条纹变为黑色条纹，逆格雷码条纹图用来辅助目标物体图像的二值化操作；
图像采集步骤为：
将目标物体置于水中，使用投影光机按顺序向目标物体投射格雷码条纹图；
每投射一张格雷码条纹图，左右目相机就分别捕捉一张图像，双目相机依次捕捉投射出的一系列格雷码条纹图的目标物体图像，直至40张格雷码条纹图投射结束，关闭双目相机和投影光机；
在此过程中，因为本方法使用的是双目相机，左相机采集到40张带有格雷码条纹的目标物体图像，同时右相机也会采集到40张，因此共80张图像；
S3.图像矫正：对获得的图像进行畸变矫正，由于摄像机拍照时通过透镜把实物投影到像平面上，但是透镜由于制造精度以及组装工艺的偏差会引入畸变，导致原始图像的失真。因此需要考虑成像畸变的问题，透镜的畸变主要分为径向畸变和切向畸变，畸变矫正后可以去除由于上述原因引入的畸变；
S4.图像二值化：在采集到的80张物体图像数据中，首先对左相机采集到的图像进行二值化操作，即逐像素的比较拍到的正格雷码条纹图像——记图像的像素值为A，则A(i,j)表示图像中位置(i,j)处的像素值，与逆格雷码条纹图像——记图像的像素为B，则B(i,j)表示图像中位置(i,j)处的像素值的像素值大小，若A(i,j)>B(i,j)则该正格雷码条纹的二值化图像S(i,j)＝1，若A(i,j)<B(i,j)则S(i,j)＝0，若A(i,j)＝B(i,j)，表示该位置没有被投射到条纹图，属于无效区域，因此不对该像素位置进行二值化操作，从而将得到20张(纵向正格雷码条纹图10张，横向正格雷码条纹图10张)二值化操作后的图像；
同理，右相机图像也可得到20张二值化操作后的图像；
S5.解码：此步骤将二值化后的图像从二进制解码到十进制，以纵向正格雷码条纹图(10 张)为例，二值化之后的图像，第一张图像对应格雷码的最高位，最后一张图像对应格雷码的最低位，根据多幅图像的二值化结果得到当前像素点的格雷码，再将格雷码转换成二进制码；格雷码转换为二进制码后，二进制码再转换成十进制码，即可完成对图像的解码，得到一张十进制的解码图；因此采用以上方式，左目图像纵向、横向格雷码条纹进行图像解码各得1张解码图，右目图像纵向、横向格雷码条纹进行图像解码各得1张解码图；最终得到4 张解码图；
S6.对应点匹配：纵向格雷码条纹可以对图像列方向上的像素进行唯一编码，横向格雷码条纹图可以对图像行方向上的像素进行唯一编码，同时使用纵向、横向格雷码条纹即可对每一个像素进行唯一编码；
假设左目相机拍到的图像有像素点(p,q)，则左目图像纵向格雷码条纹解码图的值为DLZ(q)，左目图像横向格雷码条纹解码图的值为DLH(p)；右目相机拍得的图像像素点为(u，v)，右目图像纵向格雷码条纹解码图的值为DRZ(v)，右目图像横向格雷码条纹解码图的值为DRH(u)；
若DLZ(q)＝DRZ(v)，且DLH(p)＝DRH(u)，则(p,q)(u,v)为一对匹配像素点；
左目图像中的每个像素点有了唯一编码，右目图像中的每个像素也具有唯一编码，且在右目图像中有唯一像素点与左目图像对应，由此，可以确定左图像中目标物体的每个像素点所对应于右图像中目标物体的像素点；
S7.水下双目立体成像
步骤S6获得了左右目图像的所有匹配点，在双目立体成像过程中，本方法将世界坐标系原点建立在左相机的光心上，具体步骤如下：
7.1假设(xl,yl)为左目相机下的图像坐标系，(xr,yr)为右目相机下的图像坐标系，(xl',yl') 为左目相机归一化平面上的图像坐标系，(x'r,y'r)为右目相机归一化平面上的图像坐标系， f为相机的焦距，则(xl',yl')、(x'r,y'r)如下
Figure BDA0003004463240000031
7.2根据水下折射模型进行修正，其中(XL,YL,ZL)为物体点在左目相机建立的世界坐标系下的三维坐标，(XR,YR,ZR)为物体点在右目相机建立的世界坐标系下的三维坐标，δl与δr为中间变量，
Figure BDA0003004463240000032
则
Figure BDA0003004463240000033
7.3求解出物体点在左目相机建立的世界坐标系下的三维坐标
设(XL,YL,ZL)与(XR,YR,ZR)的旋转矩阵为R，平移矩阵为T，则且以左目相机光心建立的世界坐标系为世界坐标系，(XW,YW,ZW)＝(XL,YL,ZL)：
Figure 1
即
Figure BDA0003004463240000042
3*3旋转矩阵
Figure BDA0003004463240000043
3*1平移矩阵
Figure BDA0003004463240000044
展开得，
Figure BDA0003004463240000045
进一步展开可得
Figure BDA0003004463240000046
由此等式，可以解出(XW,YW,ZW),得到物体点在世界坐标系下的三维坐标。
目前常用的方法有基于双目立体视觉的三维重建，该方法使用匹配算法进行特征点的匹配，而本方法使用结构光辅助这一物理技术来提高匹配的精度，使匹配所得的结果更加真实可靠，从而可以提高三维重建的精度，并且结合水下相机折射模型，将三维重建技术应用于水下场景。
附图说明
图1是本发明的方法流程图。
图2是本发明使用的纵向正格雷码条纹图。
图3是本发明使用的纵向逆格雷码条纹图。
图4是本发明使用的横向正格雷码条纹图。
图5是本发明使用的横向逆格雷码条纹图。
图6是本发明使用的设备的正视图。
图7是本发明使用的设备的俯视图.
图中1.投影仪，2.左目摄像机 3.右目摄像机。
具体实施方式
S1.相机参数标定：首先设定相机焦距、光圈，使其在拍摄过程中保持不变；通过张正友标定法在空气中获得相机的内外参，以双目相机以左相机的光心为世界坐标系原点，标定得到右相机的外参；相机中心到保护壳玻璃的距离为h，光线在水介质中的折射率为n，通过棋盘格标定板在水中标定：
为了准确的估计水下折射模型参数，需要借助已知位置的点，本方法将水下相机和棋盘格标定板的位置相对固定，并分别在空气中和水中拍摄固定位置的同一标定板；
在空气中对水下相机标定时，可同时计算出棋盘格标定板上的角点在相机坐标系下的准确位置，将这些已知位置的角点作为水下折射模型参数标定的关键点；取位于相机光轴附近的两个角点P1，P2作为关键标定点，其中，两个关键标定点在相机坐标下的真实深度值为Zr1， Zr2(已在空气中准确标定)，已知两个关键标定点对应的虚拟深度值为Zv1，Zv2，其在X、Y 轴方向上的坐标值与真实点相同，可通过针孔透视模型计算得到；如此，可得到水下折射模型参数h，n的代数表达式：
Figure BDA0003004463240000051
Figure BDA0003004463240000052
S2.图像采集：整个设备包含一组双目工业相机和一个DLP投影光机，该投影光机可以投射一系列编码结构光的图像，本方法采用10位格雷码编码结构光，包括10张横向正格雷码，10张横向逆格雷码，10张纵向正格雷码，10张纵向逆格雷码，共40张；其中横向格雷码条纹可对图像行方向上的像素进行唯一编码，纵向格雷码条纹可对列方向上的像素进行唯一编码；格雷码条纹图是黑白条纹相间的图像，其中，黑色条纹，代表编码值为0，白色条纹，代表编码值为1；正格雷码条纹图用于对二维图像的行进行编码，逆格雷码条纹图与正格雷码条纹图编码值相反，即正格雷码条纹图中的黑色条纹变为白色条纹，白色条纹变为黑色条纹，逆格雷码条纹图用来辅助目标物体图像的二值化操作；
图像采集步骤为：
将目标物体置于水中，使用投影光机按顺序向目标物体投射格雷码条纹图；
每投射一张格雷码条纹图，左右目相机就分别捕捉一张图像，双目相机依次捕捉投射出的一系列格雷码条纹图的目标物体图像，直至40张格雷码条纹图投射结束，关闭双目相机和投影光机；
在此过程中，因为本方法使用的是双目相机，左相机采集到40张带有格雷码条纹的目标物体图像，同时右相机也会采集到40张，因此共80张图像；
S3.图像矫正：对获得的图像进行畸变矫正。由于摄像机拍照时通过透镜把实物投影到像平面上，但是透镜由于制造精度以及组装工艺的偏差会引入畸变，导致原始图像的失真。因此需要考虑成像畸变的问题，透镜的畸变主要分为径向畸变和切向畸变。畸变矫正后可以去除由于上述原因引入的畸变。
S4.图像二值化：在采集到的80张物体图像数据中，首先对左相机采集到的图像进行二值化操作，即逐像素的比较拍到的正格雷码条纹图像(记图像的像素值为A，则A(i,j)表示图像中位置(i,j)处的像素值)与逆格雷码条纹图像(记图像的像素为B，则B(i,j)表示图像中位置 (i,j)处的像素值)的像素值大小，若A(i,j)>B(i,j)则该正格雷码条纹的二值化图像S(i,j)＝1，若 A(i,j)<B(i,j)则S(i,j)＝0，若A(i,j)＝B(i,j)，表示该位置没有被投射到条纹图，属于无效区域，因此不对该像素位置进行二值化操作，从而将得到20张(纵向正格雷码条纹图10张，横向正格雷码条纹图10张)二值化操作后的图像；
同理，右相机图像也可得到20张二值化操作后的图像；
S5.解码：此步骤将二值化后的图像从二进制解码到十进制，以纵向正格雷码条纹图(10 张)为例，二值化之后的图像，第一张图像对应格雷码的最高位，最后一张图像对应格雷码的最低位，根据多幅图像的二值化结果得到当前像素点的格雷码，再将格雷码转换成二进制码；格雷码转换为二进制码后，二进制码再转换成十进制码，即可完成对图像的解码，得到一张十进制的解码图；同理，横向格雷码条纹图也通过以上步骤进行图像解码；最终，将得到4张解码图，其中左目图像纵向、横向格雷码条纹解码图各1张，右目图像纵向、横向格雷码条纹解码图各1张；
S6.对应点匹配：纵向格雷码条纹可以对图像列方向上的像素进行唯一编码，横向格雷码条纹图可以对图像行方向上的像素进行唯一编码，同时使用纵向、横向格雷码条纹即可对每一个像素进行唯一编码；
假设左目相机拍到的图像有像素点(p,q)，则左目图像纵向格雷码条纹解码图的值为 DLZ(q)，左目图像横向格雷码条纹解码图的值为DLH(p)；右目相机拍得的图像像素点为(u，v)，右目图像纵向格雷码条纹解码图的值为DRZ(v)，右目图像横向格雷码条纹解码图的值为DRH(u)；
若DLZ(q)＝DRZ(v)，且DLH(p)＝DRH(u)，则(p,q)(u,v)为一对匹配像素点；
左目图像中的每个像素点有了唯一编码，右目图像中的每个像素也具有唯一编码，且在右目图像中有唯一像素点与左目图像对应，由此，可以确定左图像中目标物体的每个像素点所对应于右图像中目标物体的像素点；
S7.水下双目立体成像
步骤S6获得了左右目图像的所有匹配点，在双目立体成像过程中，本方法将世界坐标系原点建立在左相机的光心上，具体步骤如下：
7.1假设(xl,yl)为左目相机下的图像坐标系，(xr,yr)为右目相机下的图像坐标系，(xl',yl') 为左目相机归一化平面上的图像坐标系，(x'r,y'r)为右目相机归一化平面上的图像坐标系， f为相机的焦距，则(xl',yl')、(x'r,y'r)如下
Figure BDA0003004463240000071
7.2根据水下折射模型进行修正，其中(XL,YL,ZL)为物体点在左目相机建立的世界坐标系下的三维坐标，(XR,YR,ZR)为物体点在右目相机建立的世界坐标系下的三维坐标，δl与δr为中间变量，
Figure BDA0003004463240000072
则
Figure BDA0003004463240000073
7.3求解出物体点在左目相机建立的世界坐标系下的三维坐标
设(XL,YL,ZL)与(XR,YR,ZR)的旋转矩阵为R，平移矩阵为T，则且以左目相机光心建立的世界坐标系为世界坐标系，(XW,YW,ZW)＝(XL,YL,ZL)：
Figure 2
即
Figure BDA0003004463240000075
3*3旋转矩阵
Figure BDA0003004463240000076
3*1平移矩阵
Figure BDA0003004463240000077
展开得，
Figure BDA0003004463240000081
进一步展开可得
Figure BDA0003004463240000082
由此等式，可以解出(XW,YW,ZW),得到物体点在世界坐标系下的三维坐标。

Claims (1)

1.基于双目结构光的水下三维重建方法，其特征是包括以下步骤：
S1.相机参数标定：首先设定相机焦距、光圈，使其在拍摄过程中保持不变；通过张正友标定法在空气中获得相机的内外参，以双目相机以左相机的光心为世界坐标系原点，标定得到右相机的外参；相机中心到保护壳玻璃的距离为h，光线在水介质中的折射率为n，通过棋盘格标定板在水中标定：
将水下相机和棋盘格标定板的位置相对固定，并分别在空气中和水中拍摄固定位置的同一标定板；
在空气中对水下相机标定时，可同时计算出棋盘格标定板上的角点在相机坐标系下的准确位置，将这些已知位置的角点作为水下折射模型参数标定的关键点；取位于相机光轴附近的两个角点P1，P2作为关键标定点，其中，两个关键标定点在相机坐标下的真实深度值为Zr1，Zr2，其已在空气中准确标定；已知两个关键标定点对应的虚拟深度值为Zv1，Zv2，其在X、Y轴方向上的坐标值与真实点相同，可通过针孔透视模型计算得到；可得到水下折射模型参数h，n的代数表达式：
Figure FDA0003466169680000011
Figure FDA0003466169680000012
S2.图像采集：采用双目工业相机和DLP投影光机，该投影光机可以投射一系列编码结构光的图像，本方法采用10位格雷码编码结构光，包括10张横向正格雷码，10张横向逆格雷码，10张纵向正格雷码，10张纵向逆格雷码，共40张；
图像采集步骤为：
将目标物体置于水中，使用投影光机按顺序向目标物体投射格雷码条纹图；
每投射一张格雷码条纹图，左右目相机就分别捕捉一张图像，双目相机依次捕捉投射出的一系列格雷码条纹图的目标物体图像，直至40张格雷码条纹图投射结束，关闭双目相机和投影光机；
在此过程中，因为本方法使用的是双目相机，左相机采集到40张带有格雷码条纹的目标物体图像，同时右相机也会采集到40张，因此共80张图像；
S3.图像矫正：对获得的图像进行畸变矫正；
S4.图像二值化：在采集到的80张物体图像数据中，首先对左相机采集到的图像进行二值化操作，即逐像素的比较拍到的正格雷码条纹图像——记图像的像素值为A，则A(i,j)表示图像中位置(i,j)处的像素值，与逆格雷码条纹图像——记图像的像素为B，则B(i,j)表示图像中位置(i,j)处的像素值的像素值大小，若A(i,j)>B(i,j)则该正格雷码条纹的二值化图像S(i,j)＝1，若A(i,j)<B(i,j)则S(i,j)＝0，若A(i,j)＝B(i,j)，表示该位置没有被投射到条纹图，属于无效区域，因此不对该像素位置进行二值化操作，从而将得到20张二值化操作后的图像——纵向正格雷码条纹图10张、横向正格雷码条纹图10张；
右相机图像也可得到20张二值化操作后的图像；
S5.解码：此步骤将二值化后的图像从二进制解码到十进制，最终得到4张解码图；
S6.对应点匹配：纵向格雷码条纹可以对图像列方向上的像素进行唯一编码，横向格雷码条纹图可以对图像行方向上的像素进行唯一编码，同时使用纵向、横向格雷码条纹即可对每一个像素进行唯一编码；
假设左目相机拍到的图像有像素点(p,q)，则左目图像纵向格雷码条纹解码图的值为DLZ(q)，左目图像横向格雷码条纹解码图的值为DLH(p)；右目相机拍得的图像像素点为(u，v)，右目图像纵向格雷码条纹解码图的值为DRZ(v)，右目图像横向格雷码条纹解码图的值为DRH(u)；
若DLZ(q)＝DRZ(v)，且DLH(p)＝DRH(u)，则(p,q)(u,v)为一对匹配像素点；
左目图像中的每个像素点有了唯一编码，右目图像中的每个像素也具有唯一编码，且在右目图像中有唯一像素点与左目图像对应，由此，可以确定左图像中目标物体的每个像素点所对应于右图像中目标物体的像素点；
S7.水下双目立体成像
步骤S6获得了左右目图像的所有匹配点，在双目立体成像过程中，本方法将世界坐标系原点建立在左相机的光心上，具体步骤如下：
7.1假设(xl,yl)为左目相机下的图像坐标系，(xr,yr)为右目相机下的图像坐标系，(x′l,y′l)为左目相机归一化平面上的图像坐标系，(x'r,y'r)为右目相机归一化平面上的图像坐标系，f为相机的焦距，则(x′l,y′l)、(x'r,y'r)如下
Figure FDA0003466169680000021
7.2根据水下折射模型进行修正，其中(XL,YL,ZL)为物体点在左目相机建立的世界坐标系下的三维坐标，(XR,YR,ZR)为物体点在右目相机建立的世界坐标系下的三维坐标，δl与δr为中间变量，
Figure FDA0003466169680000022
则
Figure FDA0003466169680000023
7.3求解出物体点在左目相机建立的世界坐标系下的三维坐标
设(XL,YL,ZL)与(XR,YR,ZR)的旋转矩阵为R，平移矩阵为T，则且以左目相机光心建立的世界坐标系为世界坐标系，(XW,YW,ZW)＝(XL,YL,ZL)：
Figure FDA0003466169680000031
即
Figure FDA0003466169680000032
3*3旋转矩阵
Figure FDA0003466169680000033
3*1平移矩阵
Figure FDA0003466169680000034
展开得，
Figure FDA0003466169680000035
进一步展开可得
Figure FDA0003466169680000036
由此等式，可以解出(XW,YW,ZW),得到物体点在世界坐标系下的三维坐标。
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