水下结构光自扫描三维探测技术研究

高精度水下三维测量能够为水下目标的识别、分析和判断提供准确的三维信息。作为常用的水下精确探测方法，水下双目视觉和水下结构光的研究继承了常规的理论方法，在对摄像机建模和标定时没有考虑折射的影响，而使得双目匹配率低，测量误差大；此外，水下结构光要在水下载体的运动过程中才能实现三维扫描测量，测量精度难以控制。本项目提出基于结构光的水下自扫描三维测量方法，由摄像机、激光线投射器和振镜构成自扫描装置，振镜的转动将激光器投射出的光平面反射到摄像机视场的不同位置，实现自扫描。通过建立考虑折射的摄像机模型和相应的水下标定方法，精确求解测量装置的几何参数和坐标变换关系，由此确定自扫描过程中投射到水中的光平面在世界坐标系中的方程，再根据摄像机模型可求出光平面上任一点的三维坐标。本项目所建立的水下摄像机模型及水下摄像机标定方法可为水下视觉三维测量提供理论依据。

为实现对水下目标的高精度的识别、分析和定位，本项目提出基于结构光的水下自扫描三维测量方法，由摄像机、激光线投射器和振镜构成自扫描装置，振镜的转动将激光器投射出的光平面反射到摄像机视场的不同位置，实现自扫描。通过建立考虑折射的摄像机模型和相应的水下标定方法，精确求解测量装置的几何参数和坐标变换关系，由此确定自扫描过程中投射到水中的光平面在世界坐标系中的方程，再根据摄像机模型可求出光平面上任一点的三维坐标。.首先，建立了考虑折射的水下摄像机模型，因为摄像机坐标系的工作空间在水中，从摄像机坐标系到二维像面坐标系要经过水-玻璃-空气两次折射。由于折射影响的非线性，透视成像模型不再成立，要根据水和玻璃的折射率、玻璃厚度、摄像机焦距等参量建立了能精确表达摄像机坐标系中任一点的受折射影响前后的位置关系。利用这个关系可建立该点在摄像机坐标系下的三维坐标与其像面上对应点到光心的连线和光轴间夹角的关系，再根据该角度值建立摄像机坐标系与像面坐标系间的变换关系。.其次，实现了水下摄像机的标定，摄像机标定是求解摄像机模型中的未知参数，这些参数包括坐标变换关系和系统的部分几何尺寸。设计了平面网格靶标，由靶标上的特征点和对应的像面坐标建立若干共轭对，利用这些共轭对采用改进的径向排列约束方法来求解摄像机模型。接下来进行结构光光平面标定与三维坐标的求解，结构光标定是确定结构光光平面和摄像机像面的映射关系，然后根据像面上一点的坐标可确定在光平面中对应点的二维坐标。在本研究中，光平面经振镜的反射后投射到摄像机视场中，振镜的不同转角对应不同的光平面。通过确定光平面在世界坐标系下的方程与振镜转角的对应关系，根据振镜转角可确定光平面的方程，将该方程代入摄像机模型可得到光平面上点的三维坐标。.最后，进行了折射影响及补偿的研究，直接在水中对摄像机进行标定可较好地求出结构光系统的光学参数和结构参数，但由于长时间将靶标放在水中，靶标表面由于受到浸泡而发生颜色脱落等现象，对靶标的制造提出了很高的要求。在水中标定和在空气中标定的主要区别在于水体的折射的影响。如果实现在空气中标定在水中使用将会解决这一问题，本项目对水下折射的影响进行研究，并提出折射补偿方法，将空气中标定的结果通过折射补偿后用在水下。 实验证明本项目能较精确地扫描测量水下物体，表明所提出的设计方案合理，技术路线可行，较好地完成了各项指标。