CN114234801B - 一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统及测量方法，涉及物体三维测量技术领域，本发明包括测量系统和测量方法。测量系统包括包括用于向被测物体发射结构光的激光光束的激光发射单元、转角控制单元、第一格挡玻璃、第二格挡玻璃、第三格挡玻璃以及第一图像采集单元和第二图像采集单元；本发明在采用光三角测量的基础上，基于直射光三角法和双目相机搭建了测量系统平台，同时引入传统隔离水质与测量系统间的折射关系，从而相比传统的水下测量方式，可以极大的减少格挡玻璃对激光发射光线带来的影响，从而能够大大简化折射补偿模型，不仅结构简单、设备维护简单、效率及精度高，且测量范围广、信号处理稳定以及抗干扰强。
Description
技术领域
本发明涉及物体三维测量技术领域，尤其涉及一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统。
背景技术
针对物体的三维测量，目前通常采用光三角测量原理进行测量，典型的如激光三角法，与其他非接触测量方式相比，激光三角法进行物体测量时，具有高效率、信号处理稳定、抗干扰强以及测量精度高、设备维护简单等诸多优点，因而广泛应用于各类工业领域中。
但针对水下物体的三维测量，目前通常采用单目结构光测量系统配合光三角原理进行测量，与其他非接触水下测量方法，单目结构光测量系统能够提供较好的测量精度，但受限于单目成像系统本身的测量机制的限制，使得所测量的结果依旧存在一定可降低的误差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统，包括用于向被测物体发射结构光的激光光束的激光发射单元、控制所述激光发射单元的转角控制单元、第一格挡玻璃、第二格挡玻璃、第三格挡玻璃以及用于对被测物体进行图像采集的第一图像采集单元和第二图像采集单元，所述激光发射单元垂直摆放在水平面并与所述的第一格挡玻璃方向垂直，以使得所述激光发射单元在所述转角控制单元转动控制下发射的激光束始终垂直所述第一格挡玻璃射出，所述第二格挡玻璃与所述第一格挡玻璃呈一定倾斜角并与所述激光发射单元处于同一水平面上，所述第一图像采集单元平行布置于所述第二格挡玻璃的下方，所述第三格挡玻璃和所述第二图像采集单元与所述第二格挡玻璃和所述第一图像采集单元关于所述激光发射单元发射的激光光束轴对称并与所述激光发射单元处于同一平面上，所述第一图像采集单元与所述第二格挡玻璃之间设置有第一透镜，所述第二图像采集单元与所述第三格挡玻璃之间设置有第二透镜；
S1：将所述测量系统布置于待测被测物体前方指定位置处，并根据所述测量系统以及待测被测物体表面相互之间的几何位置关系，构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系；
所述坐标对应关系具体根据光线的折射定律以及所述几何位置关系，使用所述激光发射单元与所述第二格挡玻璃间的夹角θ4、所述激光发射单元与所述第二格挡玻璃间的夹角θ11、所述第一图像采集单元的成像面到镜头中心的距离
所述第二图像采集单元的成像面到镜头中心的距离
所述第一图像采集单元的镜头中心到所述第二格挡玻璃的距离
所述第二图像采集单元的镜头中心到所述第三格挡玻璃的距离
所述第二格挡玻璃的厚度
所述第三格挡玻璃的厚度
以及所述第一格挡玻璃内部环境的折射率μ1、外部介质的折射率μ3、所述第一格挡玻璃的折射率μ2构建所述坐标对应关系；
所述构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系步骤包括：
S11：根据光线的折射定律构建第一公式：
μ1cos(θ1)＝μ2cos(θ2)＝3cos(θ3)；
S12：根据步骤S11构建的公式分别计算出第一入射角余角θ1、第一出射角余角θ1以及第二出射角余角θ3；
S13：构建所述三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR，其之间的坐标对应关系式为：
ΔXL＝ΔXL1+ΔXL2,ΔYL＝ΔYL1+ΔYL2,ΔZL＝ΔZL1+ΔZL1
ΔXR＝ΔXR1+ΔXR2,ΔYR＝ΔYR1+ΔYR2,ΔZR＝ΔZR1+ΔZR1
其中，ΔXL、ΔYL、ΔZL、ΔXR、ΔYR、ΔZR分别为三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR间的偏差量，ΔXL1、ΔYL1、ΔZL1、ΔXR1、ΔYR1、ΔZR1为所述第二格挡玻璃和所述第三格挡玻璃引起的第一偏移量，ΔXL2、ΔYL2、ΔZL2、ΔXR2、ΔYR2、ΔZR2为外部介质引起的第二偏移量；
S14：根据构建的所述第一偏移量、第二偏移量最终得到所述三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR之间的坐标对应关系式；
所述三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR之间的坐标对应关系式具体为：
S2：使用所述测量系统对所述待测被测物体进行测量，得到双相机下的三维测量坐标；
S3：根据所述三维测量坐标以及所述坐标对应关系，转换得到被测物体在双相机下的三维真实坐标，并通过两个相机所得数据相互补偿。
优选地，所述激光发射单元、转角控制单元、第一图像采集单元、第二图像采集单元分别通过所述第一格挡玻璃、第二格挡玻璃、第三格挡玻璃密封布置于一密封舱体内。
优选地，所述第一格挡玻璃设置为圆弧形，第二格挡玻璃、第三格挡玻璃设置为平面形。
优选地，所述激光发射单元、转角控制单元、第一图像采集单元、第二图像采集单元采用结构光三维测量探头，所述结构光三维测量探头中设有激光投射器。
相比现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明在采用光三角测量的基础上，基于直射光三角法和双目相机搭建了测量系统平台，同时引入传统隔离水质与测量系统间的折射关系，从而相比传统的水下测量方式，可以极大的减少格挡玻璃对激光发射光线带来的影响，从而能够大大简化折射补偿模型，不仅结构简单、设备维护简单、效率及精度高，且测量范围广、信号处理稳定以及抗干扰强。
2、本发明在双目测量系统基础上对激光发射单元增加一转动控制单元，减少了在测量时需要整体移动测量系统的问题，大大减少了因系统频繁性移动所带来的测量误差。
3、本发明在使用测量系统测量物体三维测量坐标时，因为激光发射单元垂直第一格挡玻璃射出，极大程度的减少了格挡玻璃对激光器发射光线引起的折射影响，降低了折射补偿模型的复杂度，通过各单元简单的的几何关系，即可计算出被测物体距离测量系统的真实坐标，从而实现目标物体表面的三维测量。
4、本发明进一步利用光线的折射定律以及测量系统内各单元之间的几何关系，确定各单元与被测物体之间的空间位置关系，从而可以精确的构建得到测量系统三维测量坐标与三维真实坐标之间的坐标对应关系，并通过双目系统进行左、右测量系统进行相互补偿，极大程度降低测量误差，实现物体表面信息的高精度测量。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统的结构原理示意图；
图2为本发明提出的一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统的三维测量模型的原理示意图；
图3为本发明提出的一种基于双目视觉的水下三维测量系统的测量方法的流程示意图。
图中：1、激光发射单元；2、转角控制单元；3、第一格挡玻璃；4、第二格挡玻璃；5、第三格挡玻璃；6、第一图像采集单元；7、第二图像采集单元。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-2，一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统，包括用于向被测物体发射结构光的激光光束的激光发射单元1、控制激光发射单元1的转角控制单元2、第一格挡玻璃3、第二格挡玻璃4、第三格挡玻璃5以及用于对被测物体进行图像采集的第一图像采集单元6和第二图像采集单元7，激光发射单元1垂直摆放在水平面并与的第一格挡玻璃3方向垂直，以使得激光发射单元1在转角控制单元2转动控制下发射的激光束始终垂直第一格挡玻璃3射出，第二格挡玻璃4与第一格挡玻璃3呈一定倾斜角并与激光发射单元1处于同一水平面上，第一图像采集单元6平行布置于第二格挡玻璃4的下方，第三格挡玻璃5和第二图像采集单元7与第二格挡玻璃4和第一图像采集单元6关于激光发射单元1发射的激光光束轴对称并与激光发射单元1处于同一平面上，第一图像采集单元6与第二格挡玻璃4之间设置有第一透镜，第二图像采集单元7与第三格挡玻璃5之间设置有第二透镜。
其中，激光发射单元1、转角控制单元2、第一图像采集单元6、第二图像采集单元7分别通过第一格挡玻璃3、第二格挡玻璃4、第三格挡玻璃5密封布置于一密封舱体内。
其中，第一格挡玻璃3设置为圆弧形，第二格挡玻璃4、第三格挡玻璃5设置为平面形。
其中，激光发射单元1、转角控制单元2、第一图像采集单元6、第二图像采集单元7采用结构光三维测量探头，结构光三维测量探头中设有激光投射器。
参照图3，一种采用基于双目视觉的水下三维自动测量系统的测量方法，其步骤如下：
S1：将测量系统布置于待测被测物体前方指定位置处，并根据测量系统以及待测被测物体表面相互之间的几何位置关系，构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系；
S2：使用测量系统对待测被测物体进行测量，得到双相机下的三维测量坐标；
S3：根据三维测量坐标以及坐标对应关系，转换得到被测物体在双相机下的三维真实坐标，并通过两个相机所得数据相互补偿。
其中，坐标对应关系具体根据光线的折射定律以及几何位置关系，使用激光发射单元1与第二格挡玻璃4间的夹角θ4、激光发射单元1与第三格挡玻璃5间的夹角θ11、第一图像采集单元6的成像面到镜头中心的距离
第二图像采集单元7的成像面到镜头中心的距离
第一图像采集单元6的镜头中心到第二格挡玻璃4的距离
第二图像采集单元7的镜头中心到第三格挡玻璃5的距离
第二格挡玻璃4的厚度
第三格挡玻璃5的厚度
以及第一格挡玻璃3内部环境的折射率μ1、外部介质的折射率μ3、第一格挡玻璃3的折射率μ2构建坐标对应关系。
其中，构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系步骤包括：
S11：根据光线的折射定律构建第一公式：
μ1cos(θ1)＝2cos(θ2)＝3cos(θ3)
μ1cos(θ8)＝2cos(θ9)＝3cos(θ10)
其中，θ1为第一图像采集单元6通过内部介质向第二格挡玻璃4传播过程中的第一入射角余角，θ2、θ3分别为被测物体反射光线至第一图像采集单元6经过外部介质向第二格挡玻璃4传播的第一出射角余角、第一入射角余角，θ8为第二图像采集单元7通过内部介质向第三格挡玻璃5传播过程中的第一入射角余角，θ9、θ10分别为被测物体反射光线至第二图像采集单元7经过外部介质向第三格挡玻璃5传播的第一出射角余角、第一入射角余角，μ1为第一格挡玻璃3、第二格挡玻璃4、第三格挡玻璃5内部介质的折射率，μ2为第一格挡玻璃3、第二格挡玻璃4、第三格挡玻璃5的折射率，μ3为第一格挡玻璃3、第二格挡玻璃4、第三格挡玻璃5外部介质的折射率；
S12：根据步骤S11构建的公式分别计算出第一入射角余角θ1、第一出射角余角θ2以及第二出射角余角θ3：
其中，
为第一图像采集单元6的成像面到左镜头中心的距离，
为第二图像采集单元7的成像面到右镜头中心的距离；
S13：构建三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR之间的坐标对应关系式为：
ΔXL＝ΔXL1+ΔXL2,ΔYL＝ΔYL1+ΔYL2,ΔZL＝ΔZL1+ΔZL1
ΔXR＝ΔXR1+ΔXR2,ΔYR＝ΔYR1+ΔYR2,ΔZR＝ΔZR1+ΔZR1
其中，ΔXL、ΔYL、ΔZL、ΔXR、ΔYR、ΔZR分别为三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR间的偏差量，ΔXL1、ΔYL1、ΔZL1、ΔXR1、ΔYR1、ΔZR1为第二格挡玻璃和第三格挡玻璃引起的第一偏移量，ΔXL2、ΔYL2、ΔZL2、ΔXR2、ΔYR2、ΔZR2为外部介质引起的第二偏移量；
并根据激光发射单元1、转角控制单元2、第一格挡玻璃3与第二格挡玻璃4、第三格挡玻璃5、第一图像采集单元6、第二图像采集单元7之间的几何位置关系，构建第一偏移量的计算式为：
ΔXL1＝0
ΔXR1＝0
其中，θ1为第一图像采集单元6上成像点所收集光线与第二格挡玻璃4的夹角，
为第一图像采集单元6主光轴到激光发射单元1发光点的距离，θ2为第一图像采集单元6接收光线经第二格挡玻璃4内表面折射后与第二格挡玻璃4内表面的夹角，θ4为激光发射单元1发射光线与第一格挡玻璃3内表面之间的夹角，θ8为第二图像采集单元7成像面上成像点所收集光线与第三格挡玻璃5的夹角，
为第二图像采集单元7主光轴到激光发射单元1发光点的距离，θ9为第二图像采集单元7接收光线经第三格挡玻璃5内表面折射后与第三格挡玻璃5内表面的夹角，θ11为激光发射单元1发射光线与第三格挡玻璃5内表面之间的夹角；
以及构建第二偏移量的计算公式为：
ΔXL2＝0
ΔXR2＝0
其中，
为第二格挡玻璃4的厚度，
为第三格挡玻璃5的厚度；
S14：根据构建的第一偏移量、第二偏移量最终得到三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR之间的坐标对应关系式。
其中，三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR之间的坐标对应关系式具体为：
上述利用光线的折射定律以及测量系统内各单元之间的几何关系，可以准确的反应各单元与被测物体之间的空间位置关系，从而可以精确的构建得到测量系统三维测量坐标与三维真实坐标之间的坐标对应关系。
上述各参数具体如下表所示：
表1：参数表
为实现上述坐标对应关系构建，本发明首先搭建如图1的二维测量模型；
基于上述二维模型进一步构建三维测量折射矫正数学模型，首先构建三维测量模型，如图2所示，主要通过X，Z轴之间的关系去寻找Z方向上的偏差；
基于上述原理，本发明最终构建形成如图1和图2所示的测量系统以及测量模型，首先由光线的折射定律可得上述公式即为μ1cos(θ1)＝μ2cos(θ2)＝μ3cos(θ3)、μ1cos(θ8)＝μ2cos(θo)＝μ3cos(θ10)，由相机成像关系，可计算出角度θ1的值，如上式
进一步可得式
真实坐标X、Y、Z与测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR间的偏差量分别为ΔXL、ΔYL、ΔZL、ΔXR、ΔYR、ΔZR，由几何关系可得ΔX、ΔY、ΔZ为第一偏移量ΔXL1、ΔYL1、ΔZL1、ΔXR1、ΔYR1、ΔZR1与第二偏移量ΔXL2、ΔYL2、ΔZL2、ΔXR2、ΔTR2、ΔZR2之和，第一偏移量ΔXL1、ΔYL1、ΔZL1、ΔXR1、ΔYR1、ΔZR1为密封玻璃引起的偏移，第二偏移量ΔXL2、ΔYL2、ΔZL2、ΔXR2、ΔYR2、ΔZR2为外部介质引起的偏移。
由格挡玻璃成像特性，可按照式第一偏移量的计算式计算出第一偏移量ΔXL1、ΔYL1、ΔZL1、ΔXR1、ΔYR1、ΔZR1的值，以及可根据几何关系按照第二偏移量的计算公式计算出第二偏移量ΔXL2、ΔYL2、ΔZL2、ΔXR2、ΔYR2、ΔZR2的值；进一步可建立得到真实距离X、Y、Z与测量数据XL、YL、ZL、XR、YR、ZR间的坐标对应关系，通过上述公式，通过测量系统测量得到三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR后，将三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR以及各单元之间的几何关系参数，如
μ1、μ2、μ3、
等已知量带入上述公式求解，即可得到三维真实坐标X、Y、Z。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统，其特征在于，包括用于向被测物体发射结构光的激光光束的激光发射单元(1)、控制所述激光发射单元(1)的转角控制单元(2)、第一格挡玻璃(3)、第二格挡玻璃(4)、第三格挡玻璃(5)以及用于对被测物体进行图像采集的第一图像采集单元(6)和第二图像采集单元(7)，所述激光发射单元(1)垂直摆放在水平面并与所述的第一格挡玻璃(3)方向垂直，以使得所述激光发射单元(1)在所述转角控制单元(2)转动控制下发射的激光束始终垂直所述第一格挡玻璃(3)射出，所述第二格挡玻璃(4)与所述第一格挡玻璃(3)呈一定倾斜角并与所述激光发射单元(1)处于同一水平面上，所述第一图像采集单元(6)平行布置于所述第二格挡玻璃(4)的下方，所述第三格挡玻璃(5)和所述第二图像采集单元(7)与所述第二格挡玻璃(4)和所述第一图像采集单元(6)关于所述激光发射单元(1)发射的激光光束轴对称并与所述激光发射单元(1)处于同一平面上，所述第一图像采集单元(6)与所述第二格挡玻璃(4)之间设置有第一透镜，所述第二图像采集单元(7)与所述第三格挡玻璃(5)之间设置有第二透镜；
S1：将所述测量系统布置于待测被测物体前方指定位置处，并根据所述测量系统以及待测被测物体表面相互之间的几何位置关系，构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系；
所述坐标对应关系具体根据光线的折射定律以及所述几何位置关系，使用所述激光发射单元(1)与所述第二格挡玻璃(4)间的夹角θ4、所述激光发射单元(1)与所述第二格挡玻璃(4)间的夹角θ11、所述第一图像采集单元(6)的成像面到镜头中心的距离
所述第二图像采集单元(7)的成像面到镜头中心的距离
所述第一图像采集单元(6)的镜头中心到所述第二格挡玻璃(4)的距离
所述第二图像采集单元(7)的镜头中心到所述第三格挡玻璃(5)的距离
所述第二格挡玻璃(4)的厚度
所述第三格挡玻璃(5)的厚度
以及所述第一格挡玻璃(3)内部环境的折射率μ1、外部介质的折射率μ3、所述第一格挡玻璃(3)的折射率μ2构建所述坐标对应关系；
所述构建被测物体的三维真实坐标与三维测量坐标之间的坐标对应关系步骤包括：
S11：根据光线的折射定律构建第一公式：
μ1cos(θ1)＝μ2cos(θ2)＝μ3cos(θ3)；
S12：根据步骤S11构建的公式分别计算出第一入射角余角θ1、第一出射角余角θ2以及第二出射角余角θ3；
S13：构建所述三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR，其之间的坐标对应关系式为：
ΔXL＝ΔXL1+ΔXL2，ΔYL＝ΔYL1+ΔYL2，ΔZL＝ΔZL1+ΔZL1
ΔXR＝ΔXR1+ΔXR2，ΔYR＝ΔYR1+ΔYR2，ΔZR＝ΔZR1+ΔZR1
其中，ΔXL、ΔYL、ΔZL、ΔXR、ΔYR、ΔZR分别为三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR间的偏差量，ΔXL1、ΔYL1、ΔZL1、ΔXR1、ΔYR1、ΔZR1为所述第二格挡玻璃和所述第三格挡玻璃引起的第一偏移量，ΔXL2、ΔYL2、ΔZL2、ΔXR2、ΔYR2、ΔZR2为外部介质引起的第二偏移量；
S14：根据构建的所述第一偏移量、第二偏移量最终得到所述三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR之间的坐标对应关系式；
所述三维真实坐标X、Y、Z与三维测量坐标XL、YL、ZL、XR、YR、ZR之间的坐标对应关系式具体为：
S2：使用所述测量系统对所述待测被测物体进行测量，得到双相机下的三维测量坐标；
S3：根据所述三维测量坐标以及所述坐标对应关系，转换得到被测物体在双相机下的三维真实坐标，并通过两个相机所得数据相互补偿。
2.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统，其特征在于，所述激光发射单元(1)、转角控制单元(2)、第一图像采集单元(6)、第二图像采集单元(7)分别通过所述第一格挡玻璃(3)、第二格挡玻璃(4)、第三格挡玻璃(5)密封布置于一密封舱体内。
3.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统，其特征在于，所述第一格挡玻璃(3)设置为圆弧形，第二格挡玻璃(4)、第三格挡玻璃(5)设置为平面形。
4.根据权利要求1所述的一种基于双目视觉的水下三维自动测量系统，其特征在于，所述激光发射单元(1)、转角控制单元(2)、第一图像采集单元(6)、第二图像采集单元(7)采用结构光三维测量探头，所述结构光三维测量探头中设有激光投射器。
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2021
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