CN117407636B - 一种水下成像折射率动态修正方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种水下成像折射率动态修正方法，属于水下光学领域，用于实现水下成像海水折射率动态精确修正，所述方法包括：通过将水下成像等效焦距和等效像点坐标视作未知数，代入水下测量解算方程，得到动态修正的海水折射率；根据动态修正的海水折射率计算得到等效焦距和等效像点坐标；根据等效焦距、等效像点坐标和水下像点坐标观测值，通过反向投影得到水上像点坐标；根据水上像点坐标和水上焦距，通过水上测量解算方程得到水上像点坐标修正值；根据水上像点坐标修正值正向投影得到水下等效像点坐标新值，结合等效焦距，通过水下测量解算方程得到海水折射率精修值；通过反向投影水上解算和正向投影水下解算，迭代精确修正海水折射率。
Description
技术领域
本申请属于水下光学领域，具体涉及一种水下成像折射率动态修正方法。
背景技术
“水下光学”是一种应用于水下环境的光学探测技术，它主要利用光学原理和方法来获取和处理水下图像，以实现对水下目标的测量。水下成像原理研究是实现水下光学测量的基础。与水上成像不同，水下成像是一种多介质成像，光线在不同折射率的介质间传播时发生偏折。光的折射是指其原有传播方向发生改变，即水下光线是一条“折线”。为实现高精度的水下光学测量，对水体折射率误差进行精确修正是必要的。
当前水下成像水体折射率误差修正，例如海水折射率误差修正大多采用“先测量海水折射率再使用”的技术途径，当前海水折射率的测量方法主要分为直接测量法与间接测量法。间接测量方法可以概括为通过测量光路所在的海水环境的多种参数(包括海水温度、压强、盐度、密度等)，以建模的方式，间接推算出折射率的值。直接测量法使用特制的折射率计测量海水折射率，其原理可以概括为制造变量条件，利用光的成像特性测算光的实际波长，从而推算出折射率的值。
当前通过特定的仪器、传感器直接或间接测量海水折射率主要存在以下缺陷或弊端：
当前采用的是先测量折射率再使用的技术途径。然而，海洋工程是一个动态变化的环境，折射率计或传感器的测量结果都存在滞后性，即上一时刻的测量值已不适用于当前时刻，折射率的测量与使用存在割裂。
海水折射率的计算对仪器或传感器的精度要求很高，例如间接法需要测定多个海水参数，若其中某个参数不准确，则无法保证测量精度。并且缺乏有效的精度检验方法，缺乏可靠性。
无论是折射率计还是传感器都需要相对稳定、静态的测量环境，并且对相关仪器的安装精度、位置都有要求。但海洋工程环境是随机、动态、高浊度的，不利于折射率计等光学仪器的精确判读。
综上所述，当前水体折射率的测量方式存在时效性、可靠性、准确性差等问题，这样的折射率会在进行水下成像和水下光学测量时导致图像畸变、测量不准确等问题。
发明内容
本申请实施例提供一种水下成像折射率动态修正方法，能够解决进行水下成像和水下光学测量海水折射率参数计算不可靠及不准确的问题。
本申请提供了一种水下成像折射率动态修正方法，该方法包括：通过将水下成像等效焦距和等效像点坐标视作未知数，代入水下测量解算方程，得到动态修正的海水折射率，所述水下测量解算方程为共线方程的水下应用；根据所述动态修正的海水折射率计算得到所述等效焦距和所述等效像点坐标；根据所述等效焦距、所述等效像点坐标和水下像点坐标观测值，通过反向投影得到水上像点坐标；根据所述水上像点坐标和水上焦距，通过水上测量解算方程得到水上像点坐标修正值，所述水上测量解算方程为共线方程的水上应用；根据所述水上像点坐标修正值正向投影得到水下等效像点坐标新值，结合所述等效焦距，通过水下测量解算方程得到海水折射率精修值；通过反向投影后水上解算和正向投影后水下解算，迭代精确修正海水折射率。
在本实施例中，通过将水下成像等效焦距和等效像点坐标视作未知数，代入测量解算方程，得到动态修正的海水折射率，满足水下动态光学测量的高实时性要求，并提高结果的准确性；根据所述动态修正的海水折射率计算得到所述等效焦距和等效像点坐标；根据所述等效焦距，结合水下像点坐标观测值，通过反向投影得到水上像点坐标；根据所述水上像点坐标，结合水上焦距，通过水上测量解算方程得到水上像点坐标修正值，能够消除解算时折射率导致的误差，并提高测量结果的可靠性；根据所述水上像点坐标修正值正向投影得到水下等效像点坐标新值，结合所述等效焦距，通过水下测量解算方程得到海水折射率精修值，水下等效像点坐标新值经过精度优化，作为解算初始值代入，提高了水下共线解算方程的解算精度，从而实现了海水折射率的高精度修正；通过反向投影后水上解算和正向投影后水下解算，迭代精确修正海水折射率。
附图说明
图1是本申请实施例提供的一种水下成像折射率动态修正方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的一种水下成像模型的示意图；
图3是本申请实施例提供的一种折射率修正迭代过程示意图；
图4是本申请实施例提供的另一种水下成像折射率动态修正方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的一种水下成像折射率动态修正方法进行详细地说明。
图1示出本申请的一个实施例提供的一种水下成像折射率动态修正方法。本申请实施例提供的一种水下成像折射率动态修正方法可以应用于海水、湖水等水体的水下成像、水下测量场景，在此不对水下成像折射率动态修正方法应用的水体场景进行限定，该水下成像折射率动态修正方法包括如下步骤：
步骤102：通过将水下成像等效焦距和等效像点坐标视作未知数，代入水下测量解算方程，得到动态修正的海水折射率。
在本申请实施例中，可以通过求解水下成像模型，得到等效焦距的表达式和等效像点坐标的表达式，其中，水下成像模型包括真实光路、等效光路和水上光路，等效焦距和等效像点坐标为海水折射率参数的函数；通过将等效焦距和等效像点坐标视作未知数代入测量解算方程，通过最小二乘法，得到海水折射率修正量。
本申请实施例提供了一种水下成像模型，该水下成像模型如图2所示，图2中实线为水下的真实光路，虚线为构造的等效光路，点划线为构造的水上光路。其中为像平面，为水下像点坐标观测值，/>为水上相机的真实焦距(真值)，/>为水下等效像点，/>（n）为对应的等效焦距，/>为水上像点坐标，/>为物点坐标，/>为投影中心/>到分界面的距离。
具体的，通过求解上述水下成像模型，可以得到等效焦距的表达式（1）和水下等效像点坐标的表达式（2）：
（1）
（2）
其中，，/>为水下像点坐标观测值，/>为海水折射率，/>为等效焦距，/>为水下等效像点坐标。由公式(1)和(2)可知，等效焦距与水下等效像点为海水折射率/>的函数，海水折射率的计算通过上述等效焦距和水下等效像点坐标等等效参数实现。
等效焦距与水下等效像点坐标可以通过测量解算方程解算得到，该测量解算方程也可以称为水下共线解算方程，水下测量时，将等效焦距与水下等效像点坐标作为未知等效参数，代入如下所示的测量解算方程：
（3）
（4）
其中和/>为相机的外方位元素，/>为物点坐标。基于水下共线解算方程可列出误差方程。
（5）
（6）
其中，为海水折射率误差项。通过最小二乘法计算得到海水折射率的修正量，假设海水的初始折射率为/>，通过折射率的修正量对初始折射率进行补偿修正，得到的修正折射率即为/>。动态补偿修正海水折射率误差，能够满足水下动态光学测量的高实时性要求。并且水下测量时，基于当前海水环境，将水下等效模型的等效参数作为未知量代入水下共线解算方程，提高了折射率解算的准确性。折射率误差补偿修正基于已有的水下共线解算方程，无需建立额外方程或借助辅助方法，提高了方法的通用性。
步骤104：根据所述动态修正的海水折射率计算得到所述等效焦距和所述等效像点坐标。
具体的，根据得到的动态修正的海水折射率，将动态修正的海水折射率代入公式(1)(2)，可以计算得到等效焦距和等效像点坐标。
步骤106：根据所述等效焦距、所述等效像点坐标和水下像点坐标观测值，通过反向投影得到水上像点坐标。
在本申请实施例中，基于动态修正后的海水折射率n，利用公式(1)和(2)，可以计算出折射率补偿后的等效焦距和等效像点坐标。根据等效焦距和水下像点坐标观测值，通过反向投影得到水上像点坐标，其中，水下像点坐标观测值通过水下图像特征提取得到，水上像点坐标为水上光路的结果通过等效焦距和水下像点坐标观测值反向投影得到的。
（7）
其中，为像主点坐标。
步骤108：根据所述水上像点坐标和水上焦距，通过水上测量解算方程得到水上像点坐标修正值。
在本申请实施例中，可以根据像点坐标和水上焦距，通过水上测量解算方程得到水上像点坐标修正值，其中，水上焦距为通过水上相机标定获得的相机内参数，水上测量解算方程与水下测量解算方程形式相同且代入的变量不同。
具体的，基于水上像点坐标和水上焦距/>可列出水上测量解算方程，该水上测量解算方程也可以称为水上共线解算方程。
（8）
（9）
该水上测量解算方程与上述水下测量解算方程形式相同，但是代入的变量不同。通过最小二乘法使得解算模型最优，获得经模型平差修正后的水上像点坐标。
将水下解算通过反向投影转化为水上解算，能够消除解算时折射率导致的误差，并提高测量结果的可靠性。
步骤110：根据所述水上像点坐标修正值正向投影得到水下等效像点坐标新值，结合所述等效焦距，通过水下测量解算方程得到海水折射率精修值。
具体的，根据公式(7)和(2)计算得到修正后的水下等效像点坐标新值，以和等效焦距/>作为新的初始值，根据公式(3)-(6)，进行水下共线模型解算。具体的，可以根据水上像点坐标修正值，正向投影得到水下等效像点坐标新值，根据水下等效像点坐标新值和等效焦距，代入水下测量解算方程得到海水折射率精修值。
步骤112：通过反向投影后水上解算和正向投影后水下解算，迭代精确修正海水折射率。
具体的，如图3所示的折射率修正迭代过程示意图，通过反向投影水上解算得到水上像点坐标修正值，通过正向投影水下解算得到海水折射率精修值，判断海水折射率是否满足收敛条件，即解算的拟合优化次数小于设定的预设阈值，若解算的拟合优化次数小于设定的某个阈值/>，则认为解算结果可靠，输出精确修正后的海水折射率，反之，根据公式(7)-(9)迭代计算，直至迭代收敛，水上解算和水下解算在上述步骤中已经说明，在此不再赘述。经过迭代优化后的水下像点坐标精度提高，更高精度的解算初始值，提高了水下共线解算方程的解算精度，从而实现了海水折射率的高精度修正。经过迭代优化后的水下像点坐标精度提高，更高精度的解算初始值，提高了水下共线解算方程的解算精度，从而实现了海水折射率的高精度修正。
本申请实施例提供的一种水下成像折射率动态修正方法，通过将水下成像等效焦距和等效像点坐标视作未知数，代入测量解算方程，得到动态修正的海水折射率；根据所述动态修正的海水折射率计算得到所述等效焦距和等效像点坐标；根据所述等效焦距，结合水下像点坐标观测值，通过反向投影得到水上像点坐标；根据所述水上像点坐标，结合水上焦距，通过水上测量解算方程得到水上像点坐标修正值；根据所述水上像点坐标修正值正向投影得到水下等效像点坐标新值，结合所述等效焦距，通过水下测量解算方程得到海水折射率精修值；通过反向投影后水上解算和正向投影后水下解算，迭代精确修正海水折射率。能够动态修正海水折射率，满足水下动态光学测量的高实时性要求，能够消除解算时折射率导致的误差，并提高测量结果的可靠性，水下测量时，基于当前海水环境，通过水下成像模型中的各种参数计算折射率，提高了折射率解算的准确性，保证了水下成像和水下测量的准确性，解决了因折射率测量存在时效性、可靠性、准确性差等问题导致水下成像和水下光学测量不准确的问题。
图4示出本申请实施例提供的水下成像折射率动态修正方法的流程示意图，如图4所示，该水下成像折射率动态修正方法主要包括以下步骤：
步骤1基于测量解算方程的海水折射率误差动态补偿修正：基于水下成像模型的水下像点坐标观测值，计算等效焦距以及等效像点坐标。进行水下测量时，将等效焦距以及等效像点坐标等等效参数视作未知数代入水下共线解算方程进行实时求解，通过最小二乘法计算得到初始折射率的修正量，通过修正量动态补偿修正海水的初始折射率以及等效参数。
步骤2基于像点优化的海水折射率迭代精确修正：基于动态补偿修正得到的等效焦距，通过反向投影计算水上像点坐标。基于水上像点坐标以及水上的真实焦距，通过水上共线方程解算得到水上像点坐标修正值。通过正向投影将修正的水上像点坐标转换为修正水下等效像点坐标，结合等效焦距再进行水下共线解算方程解算。最后判断解算结果是否符合要求。通过反复迭代，直至符合迭代收敛条件，最终实现海水折射率的精确修正。
本申请实施例提供的一种水下成像折射率动态修正方法能够解决海洋工程环境下，解决了因折射率测量存在时效性、可靠性、准确性差等问题导致水下成像和水下光学测量不准确的问题。通过动态补偿海水折射率误差，满足水下动态光学测量的高实时性要求。通过将水下解算通过反向投影转化为水上解算的思想，能够消除解算时折射率导致的误差，并提高测量结果的可靠性。在水下测量时，基于当前海水环境，将等效模型参数作为未知量代入水下共线解算方程，提高了折射率解算的准确性。经过迭代优化后的水下像点坐标精度提高，更高精度的解算初始值，提高了水下共线解算方程的解算精度，水下等效像点坐标新值经过精度优化，作为解算初始值代入，提高了水下共线解算方程的解算精度，从而实现了海水折射率的高精度修正。折射率误差补偿基于已有的共线方程，无需建立额外方程或借助辅助方法，提高了方法的通用性。
Claims (7)
1.一种水下成像折射率动态修正方法，其特征在于，包括：
通过将水下成像等效焦距和等效像点坐标视作未知数，代入水下测量解算方程，得到动态修正的海水折射率，所述水下测量解算方程为共线方程的水下应用；
根据所述动态修正的海水折射率计算得到所述等效焦距和所述等效像点坐标；
根据所述等效焦距、所述等效像点坐标和水下像点坐标观测值，通过反向投影得到水上像点坐标，所述水下像点坐标观测值通过水下图像特征提取得到的，所述水上像点坐标为水上光路的结果通过所述等效焦距和所述水下像点坐标观测值反向投影得到的；
根据所述水上像点坐标和水上焦距，通过水上测量解算方程得到水上像点坐标修正值，所述水上测量解算方程为共线方程的水上应用，所述水上焦距为通过水上相机标定获得的相机内参数；
根据所述水上像点坐标修正值正向投影得到水下等效像点坐标新值，结合所述等效焦距，通过水下测量解算方程得到海水折射率精修值；
通过反向投影水上解算和正向投影水下解算，迭代精确修正海水折射率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过将水下成像等效焦距和等效像点坐标视作未知数，代入水下测量解算方程，得到动态修正的海水折射率，包括：
通过求解水下成像模型，得到所述等效焦距的表达式和所述等效像点坐标的表达式，其中，所述水下成像模型包括真实光路、等效光路和水上光路，所述等效焦距和所述等效像点坐标为海水折射率参数的函数；
通过将所述等效焦距和所述等效像点坐标视作未知数代入测量解算方程，通过最小二乘法，得到海水折射率修正量；
根据所述海水折射率修正量，得到所述动态修正的海水折射率。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述动态修正的海水折射率计算得到所述等效焦距和所述等效像点坐标，包括：
根据所述动态修正的海水折射率、所述等效焦距的表达式和所述等效像点坐标的表达式，计算得到所述等效焦距和所述等效像点坐标。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述等效焦距、所述等效像点坐标和水下像点坐标观测值，通过反向投影得到水上像点坐标，包括：
根据所述等效焦距和所述水下像点坐标观测值，通过反向投影得到所述水上像点坐标，其中，所述水下像点坐标观测值通过水下图像特征提取得到，所述水上像点坐标为水上光路的结果。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述水上像点坐标和水上焦距，通过水上测量解算方程得到水上像点坐标修正值，包括：
根据所述水上像点坐标和所述水上焦距，通过水上测量解算方程得到所述水上像点坐标修正值，其中，所述水上焦距为通过水上相机标定获得的相机内参数，所述水上测量解算方程与所述水下测量解算方程形式相同且代入的变量不同。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述水上像点坐标修正值正向投影得到水下等效像点坐标新值，结合所述等效焦距，通过水下测量解算方程得到海水折射率精修值，包括：
根据所述水上像点坐标修正值，正向投影得到所述水下等效像点坐标新值；
根据所述水下等效像点坐标新值和所述等效焦距，通过水下测量解算方程得到所述海水折射率精修值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过反向投影水上解算和正向投影水下解算，迭代精确修正海水折射率，包括：
通过反向投影水上解算得到所述水上像点坐标修正值；
通过正向投影水下解算得到海水折射率精修值；
通过判断海水折射率是否满足收敛条件，基于反向投影和正向投影迭代修正海水折射率。
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