基于单视点调节相机模型的水下图像三维重构

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1、2015年11月北京航空航天大学学报November2015第41卷第11期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVo1．41No．11http：／／bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001-5965．2015．0059基于单视点调节相机模型的水下图像三维重构魏迎梅，康来(1．国防科学技术大学信息系统与管理学院，长沙410073；2国防科学技术大学信息系统工程重点实验室。长沙410073)摘要：水下图像成像过程中，每个

2、场景点所对应的光线在传播过程中均经过多种折射率不同的介质，因此水下图像会产生折射变形，导致传统基于单视点相机模型的水下图像三维重构方法精度极大降低．在理论分析一个新的单视点调节模型对水下图像折射变形的补偿能力的基础上，提出一种高效、自动的水下图像三维重构及其非线性优化方法．为了验证该方法的性能，利用合成数据和真实图像对其进行测试，并依据重构有效性、重构误差等定量指标考察分析了实验结果．实验结果表明，提出的多视图水下三维重构方法可有效补偿水下场景成像空间变形，进而显著提高传统基于单视点相机模型的水下三维重构质量．关键词：水下图像三维重构；折射变形；单视点调节

3、相机模型；非线性优化；空间变形中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：1001．5965(2015)l1—2017—06基于图像的三维重构研究如何从二维(21))简单等优势，是计算机视觉中的热门研究内容．作图像中恢复相机参数和三维场景几何信息，该过为三维重构的基础，关于相机成像过程及相机模程是二维成像的逆过程⋯．基于图像的三维重构型的研究已经趋于成熟．其中，应用最广泛的是小可分解为相机外参(相机相对姿态)恢复和场景孔成像模型(或单视点相机模型)，该模型是一种三维结构估计两个部分．假设相机的内部参数已典型的单视点相机模型，即成像过程中所有光线知(现代相

4、机内部参数易于查询)，则可以从图像均交汇于一点——相机光心⋯．对应(imagecorresp0ndences)中获得度量三维重水下图像是有别于传统图像的另一类重要图构．基于图像的三维重构基本过程⋯为：首先利像，由于传统单视点相机模型不能正确描述其成用图像匹配技术获取图像对应，然后从图像对应像原理，水下图像三维重构的研究近几年逐渐引中估计两视图间的本质矩阵，再从本质矩阵中恢起计算机视觉领域的高度关注。．文献[4]的研复相机相对姿态，最后利用三角化估计场景三维究表明，由于水下图像成像过程中，光线传播经过结构．为了进一步提高三维重建质量，可采用梯度多种折射率不相

5、同的介质，因此水下图像存在折下降等非线性优化技术对三维重构结果求精．射变形，而且这种变形从理论上来说无法使用径与传统的手工三维建模方法相比，基于图像的三向变形等常见图像变形模型来刻画．因此，传统基维重构仅需利用数码相机等廉价设备获取输人数于单视点的方法导致水下三维重构结果产生严重据，而且易于实现自动化处理，具有成本低、操作的变形．为此，研究人员提出了新的折射相机收稿日期：2015-01-29；录用日期：2015-05—14；网络出版时间：2015~5-2917：04网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．2015

6、0529．1704．002．html基金项目：国家自然科学基金(61402487)作者简介：魏迎梅(1972一)，女，甘肃兰州人，教授，weiyingmei126@126．com通讯作者：康来(1983一)，男，四JIl安岳人，讲师，博士，lkang．vr@gmail．corn，主要研究方向为计算机视觉与虚拟现实技术．；f用格式：魏迎梅，康来．基于单视点调节相机模型的水下图像三维重构fJJ．北京航空航天大学学报，2015，4J(J1)：2017-2022．WeiYM。KangL．Image—basedunderwater3Dreconstructionwi

7、thslngleviewpointadjustmentcHiTleramodeltji．JournalofBeiringUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(JI)：2017—2022(inChinese)．2018北京航空航天大学学报模型对折射成像过程进行准确的建模，并在此基1．2水下相机成像过程建模础上提出了相应的水下图像三维重构方法．但不失一般性，本文分析考察二维情况，并假设总的来说，基于折射相机模型的基本矩阵计算、三折射界面与图像成像平面平行．非平行界面情况角化及稠密匹配等核心三维重构算法远不

8、及基于下，只需要旋转相机即可．图1所示水下相机二维单视点相机模型的