面向无人潜航器的大范围动态场景光学混合三维重建方法研究

Underwater 3D reconstruction has become the hot issues in the research of ocean exploration. To overcome the various limitations of the traditional acoustic methods, such as low resolution and poor reconstruction accuracy, a hybrid optical measurement method is proposed to obtain high precision 3D reconstruction under weak illumination and high dynamic conditions in underwater operation. Based on laser triangulation and binocular vision technology, images of the measured area are synchronously captured by four cameras with multiple laser fringes projection and non-uniform illumination, the underwater 3D scene is then reconstructed by the strategy combining global control and local scanning, meeting both the measurement accuracy and dynamic scene demands. A National Natural Science Foundation project the applicant once worked on established a good set of tests for optical 3D measurement of fixed-wing aircraft in wind tunnel and air flight, its research achievements was rated as excellent. This application based on those achievements is more difficult and complicated because significant changes have taken place in the measurement environment and objects. This research focus on high resolution 3D reconstruction with hybrid optical method and suppression of various interferences including illumination and imaging, the key technologies involved must be addressed, including underwater imaging and image enhancement, complex optical path calibration and hybrid optical 3D measurement. The research will provide an effective method for 3D imaging of Unmanned Underwater Vehicle, which is of great significance to improve the underwater information perception ability in China.

水下场景的三维重建已成为海洋探测研究的热点问题。针对水下动态场景高精度三维重建的难题，并克服传统声学探测存在的分辨率低、重建精度差等缺陷，本申请基于激光三角测量和双目视觉重建技术，通过主动投射多个激光条纹，并进行非均匀照明，利用四相机同步拍摄被测区域图像，采用全局控制与局部扫描相结合的思想混合重建出三维场景，保证测量精度的同时实现水下场景动态测量。申请人前期参与的自然基金项目研究了固定翼飞机风洞试验和空中试飞的光学动态检测，结题被评为优秀。本申请在此基础上将研究场景从空中变为水下，测量环境和对象发生了很大改变，成像光路和图像解算更加复杂。本申请将重点研究水下动态场景的高精度三维重建方法，以及水下复杂工况成像干扰的抑制和补偿方法，获得水下成像与图像增强、水下复杂光路标定以及光学混合三维重建关键技术。研究成果可为无人潜航器的三维成像提供有效方法，对于提高我国水下信息感知能力具有重要意义。

针对水下动态场景高精度三维重建的难题，并克服传统声学探测存在的分辨率低、重建精度差等缺陷，本项目基于激光三角测量和双目视觉重建技术，通过主动投射多个激光条纹，并进行非均匀照明，利用四相机同步拍摄被测区域图像，采用全局控制与局部扫描相结合的思想混合重建出三维场景，在保证测量精度的同时实现水下场景动态测量。主要包括以下内容：.（1）针对主动光照导致的照明不均匀、背景散射严重的问题，本项目研究直接从原始图像入手，通过景深与梯度信息将图像中物体与水体区分开，利用背景光与物体的非相关性有效计算背景光，避免人造光照射的前景区域或白色物体上亮像素对背景光估计的影响，提出一种通过在朗伯模型中引入去雾图像来进行非均匀照明补偿的方法，以去除散射效应、提高对比度。.（2）光线在水下成像过程中经过水、玻璃和空气 3 种折射率不同的介质会发生折射，在这种情况下直接采用传统的针孔成像模型表征水下成像不可避免的会产生误差。为此提出一种基于光学混合畸变模型和光束调整算法的水下高精度标定方法。通过分析水下光学折射引起的成像畸变误差，建立了水下成像系统的非线性成像模型，并采用改进的摄影测量相机自标定算法计算了水下多相机系统的内外参数。.（3）本项目将线激光扫描和双目视觉方法相结合，提出一种面向水下大范围动态场景的多分辨混合三维重建方法。利用线激光单次投射扫描建立被测量区域的全局控制点，然后利用这些点建立全局控制网将被测量区域划分为若干子区，对每个子区分别采用双目视觉技术进行三维重建，最后通过全局控制网将测得的局部子区三维点云拼接到一起。.实验结果表明，本项目提出的水下图像增强算法能够获得更真实的水下图像，提高了对比度；提出的水下多目视觉标定方法具有较高的标定精度，可满足水下动态场景测量的要求；发明的多分辨混合三维重建方法在保持高精度三维成像的同时满足大视场测量要求。研究成果可用于无人潜航器三维成像及探测、水下考古及海底资源开发等领域，对于提高我国水下信息感知能力具有重要意义。