线结构光视觉传感器与水下三维探测

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1、线结构光视觉传感器与水下三维探测；‘；iii●●●●■■■‘

2、球i——————'1I‘■■●●■_摘要本博士论文研究课题主要围绕与渤海船舶重工合作项目“现代船舶建造大尺度三维数字化测量”和国防科工委“十五”基础研究项目“微小型水下无人探测器基础技术研究”项目展开研究工作。项目涉及到很多的理论和工程问题，本文主要对项目涉及的三维视觉测量的一些基础问题进行了研究，主要有以下几个方面：全面论述了线结构光视觉传感器的原理、结构光视觉系统结构及模型，深入分析了视觉传感器结构对精度的影响，给出了激光光条中心的提取方法。论述了视觉系统的标定方法，并提出了全新的线结构光视觉系统的现场标

3、定方法。系统的标定精度直接决定了系统的实际使用精度，而标定方法又直接影响着视觉测量系统的使用方便性和可靠性。测囊系统越来越强调实时性、在线性和系统的智能化、柔性化。而当前视觉测量系统有许多标定方法，但大多数没有走出实验室，很重要的原因是这些标定算法过于复杂，存在过分参数化的倾向，对中间参数在不同程度上存在敏感性，或对标定现场条件要求过高，标定过程太繁琐，标定时间太长。无法满足工业现场对测量系统提出的经常性标定和快速便捷标定的要求。本文提出的直接标定方法，不必对摄像机的内外参数和系统结构参数进行标定，而是通过摄取与激光面共面的标定板上的已知相对关系的点的图像，直接建立成像

4、面上的点与空间坐标之间的对应关系。而空间的任一点坐标可以通过已知点的坐标插值得到。该方法易于实现在应用现场经常性的标定，使用过程简捷，且不存在测量结果对中间标定参数敏感性的问题，可靠性高。对水下光成像的方法进行了分析，并提出了应用线结构光视觉传感器直接对水下目标进行三维探测的新方法。文中还分析了视觉测量系统在水下应用时的光线折射影响问题，并给出了修正公式。进行水下目标如水雷的识别，关键是水下目标的三维重构。获得通常的二维灰度图像并不是水下目标识别的目的，并且从水下二维灰度图像重构三哈尔滨工程大学博士学位论文维场景通常不是很有效，抗干扰力不强，特别是对海水里生成的比较模糊

5、、特征不强的灰度图像。本文提出的水下线结构激光扫描方法，直接得到侦察区域的距离图像。通过控制水下机器人(AUV、ROV)或拖鱼(Towedfish)的运动轨迹，用平面激光对目标进行扫描，CCD摄像机直接获得激光平面与目标表面相交出的激光亮条纹图像，然后进行图像处理并与由GPS、INS获取的水下机器人的定位信息、航行姿态信息数据等综合，由所建立的各坐标系闽转换关系，便可确定激光亮条纹上各点三维坐标值，从而得到目标深度图。并且此方法照明光(激光平面)与成像路线的共同区域非常小，即摄像机目标视场和被光源照亮的水域的重叠部分非常小，几乎不受照明光(激光平面)后向散射(backs

6、catteredlight)的影响，可获得此亮条较清晰的图像，分辨率高、成像视角较大，可获得较大景深，易于工程实现，可以用来识别悬浮目标特别是有较大识别难度的沉底目标。·分析了在空气中进行水下摄像机标定问题，研究得出了平面密封窗的摄像机所获取的水下图像向一般水上图像转换的条件和修正方法，给出了摄像机与密封窗的定位关系准则，为高灵敏度摄像机的水下使用提供了理论依据。本文对提出的方法和原理进行了试验研究，证明了其有效性和正确性。关键词：计算机视觉；线结构光；视觉传感器标定；水下视觉；三维重建线结构光视觉传感器与水‘F三维探测ABSTRACTThisdissertationi

7、smainlyaboutsomeresearchworksforthefollowingprojects，“Large-scaleDigitalThree—dimensionalMeasurementforModemShipbuilding’：acooperativeprojectwithBohalShipbuildingHeavyIndustryCo．，Ltd，and“FoundationalTechnologyResearchaboutUnmannedMini—dctectorforUnderwaterApplication'’，aprojectfromCommis

8、sionofScienceTechnologyandIndustryforNationalDefenseinthetenthfive—yearplan．Thispaperinvestigatessomebasicissuesabout3-Dvisionmeasurement，whichCanbesummarizedasfollows：Discusstheprincipleofvisionsensorwithstructuredlight,thestructureandmodelofstructuredlightvisionsystem。G