一种基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法
专利汇可以提供一种基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 提出了一种基于多层折射图像模型的 水 下双目 立体视觉 三维重建 方法。属于水下 计算机视觉 研究领域，典型的应用是水下物体的三维重建。本方法使用基于光场多层折射理论计算得到左、右相机的方向信息图像和 位置 图像，然后基于该方向信息图像可直接利用空气中的立体匹配方法得到 视差 图。最后利用视差图确定左、右方向信息图像上的对应点，并结合对应坐标的位置图像数据，计算匹配点的三维坐标。按此方法遍历整个图像即可得到整个匹配区域的点 云 图。本发明不仅实现了水下物体的三维重建，而且保证在较高 精度 的前提下显著提高计算效率。，下面是一种基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法专利的具体信息内容。
1.一种基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：计算左、右相机的方向信息图像，即dir_L和dir_R；
步骤2：计算对应像素的位置图像，即pos_L和pos_R；
步骤3：基于左、右相机的方向信息图像dir_L和dir_R，利用空气中的匹配算法计算视差图disp，根据此视差图用于确定左、右方向信息图像上的坐标对应点；
步骤4：根据以上计算出来的方向信息图像和位置图像计算匹配点的三维坐标。
2.根据权利要求1所述的基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法，其特征在于，所述步骤1中计算左、右相机的方向信息图像，具体包括以下步骤：
步骤1-1：采用相机的多层折射立体模型，建立立体视觉坐标系；定义方向图像内参矩阵，在立体视觉坐标系下建立左、右方向图像；
步骤1-2：计算左、右方向信息图像任意像素在立体视觉坐标系下对应的光线方向向量IL_stereo、IR_stereo，并根据立体视觉坐标系与多层折射坐标系的坐标变换关系：Pr＝rRnewPnew，计算得到光线在多层折射坐标系下的方向向量IL_reflect、IR_reflect；
步骤1-3：根据光场模型，将左、右方向信息图像的光线矢量表示为光场：
对于折射率为μn的介质，光线nLr传播距离dn后进入折射率为μn+1介质时发生折射，入射光线和折射后光线表示为：
n+1Lr＝R(sn tn μn μn+1)×T(dn)×nLr
其中
根据以上公式计算左、右方向信息图像像点经过多层界面传播和折射后到达空气中的光线 并转换成光线矢量
步骤1-4：将光线矢量 转换到左、右相机坐标系下，根据左、右相机内参计算得到方向图像上任意像点对应原图像上的像素位置，并建立位置映射表；
步骤1-5：利用水下双目视觉测量系统获取到的水下目标图像，根据步骤1-4计算得到的位置映射表，使用OpenCV中Remap函数快速计算出左、右方向信息图像。
3.根据权利要求2所述的基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法，其特征在于，所述步骤1-1中的建立立体视觉坐标系，包括以下步骤：
步骤1-1-1：以左相机光心为原点，左相机光心与右相机光心的连线方向为左立体视觉坐标系的x轴；
步骤1-1-2：将左多层折射坐标系的z轴即分界面的法线与左立体视觉坐标系x轴的叉乘作为左立体视觉坐标系y轴；
步骤1-1-3：x轴与y轴叉乘作为z轴；
步骤1-1-4：将左立体视觉坐标系平移到右相机光心，即得到右立体视觉坐标系。
4.根据权利要求1所述的基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法，其特征在于，所述步骤2中计算左、右位置图像，具体包括以下步骤：
步骤2-1：使用光场表示，根据步骤1-4中的光线矢量 计算出光线与分界面的交
点，将该光线用光场表示：
L’＝R(s,t,μ,μ’)×L＝R(s,t,μ,μ’)×T(d)×Lr
T
＝(u’,v’,s’,t’)
这样得到光线与分界面的交点为：C＝(u’,v’,d)；
光线方向：
步骤2-2：将以上交点转换到对应立体视觉坐标系下；
根据立体视觉坐标系与多层折射坐标系的位置姿态转换矩阵newRr对计算出的光线与分界面的交点及方向进行变换，获得在新的坐标系下的光线与分界面的交点Cnew及光线方向Inew；
Cnew＝newRrC＝(cx,cy,dnew)
步骤2-3：根据立体视觉坐标系建立新的光场坐标系，求光线在立体视觉坐标系下的位置信息；
新的光场坐标系定义如下：u-v坐标系与立体视觉坐标系的x-y平面平行，且原点和立体视觉坐标系原点重合；与u-v平面距离一个单位长度的平行平面定义为s-t平面，s-t坐标系与u-v坐标系平行，则光线在新光场坐标系下表示为：
光场与新坐标系xy平面的交点：
T
Lnew’＝T(-dnew)×Lnew＝[unew’,vnew’,snew,tnew]
根据Pnew＝(unew’,vnew’,0)获得左、右图像每一条光线的位置数据，保存于位置图像中。
5.根据权利要求1所述的基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法，其特征在于，所述步骤3中确定左、右方向信息图像的对应点，具体做法为：基于步骤一得到的左、右方向信息图像，利用空气中的匹配算法计算视差图；设左方向信息图像的某个像素点坐标为(xl,yl)，则该坐标对应到视差图disp中坐标为(xdisp,ydisp)；
xr＝xl+xdisp
yr＝yl
左方向图像的像素点(xl,yl)与右方向图像的像素点(xr,yr)相对应。
6.根据权利要求1所述的一种基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建方法，其特征在于，所述步骤4中计算匹配点的三维坐标，具体做法为：由左、右方向信息图像的坐标(xl,yl)、(xr,yr)与像素数据得到左、右方向矢量la与ra；左位置图像中保存的是左多层折射坐标系下左相机的点位置数据lq，右位置图像中保存的是右多层折射坐标系下右相机的点位置数据rq；然后将右相机多层折射坐标系下的方向矢量ra和点位置rq转换到左相机多层折射坐标系下；由于在左相机多层折射坐标系下点P同时在两条直线，因此满足下述约束：
然后使用反对称矩阵表示代替叉乘，上述约束转化为如下形式：
最后对上述公式进行奇异值分解，计算出匹配点P的三维坐标。
一种基于多层折射图像模型的水下双目立体视觉三维重建
方法
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
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