一種視覺重建水槽內目標點空間坐標的方法
【專利摘要】一種視覺重建水槽內目標點空間坐標的方法，屬于視覺測量【技術領域】。由兩個攝像機（1）；傳輸導線（2）；計算機（3）和實驗水槽（4）組成；兩個攝像機（1）固定在實驗水槽（4）外側，透過玻璃水槽側壁（5）觀測水下目標點（9），并通過傳輸導線（2）與計算機（3）連接；利用立體視覺成像時光線的幾何關系，配合系統定標、坐標系方向校正以及目標定位等操作對畸變后的坐標進行校正，獲得水下目標點（9）的真實位置。本發明充分考慮介質的折射影響，并且在不添加任何實驗設備的情況下修正目標點（9）的坐標，準確還原出目標點（9）的真實位置。
【專利說明】一種視覺重建水槽內目標點空間坐標的方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于視覺測量【技術領域】，涉及到多介質下目標點的三維重建問題，特別涉及玻璃槽內水下目標點的空間坐標獲取方法。
【背景技術】
[0002]在海洋工程模型試驗中，往往需要對實驗水槽中目標物體進行運動分析，如粒子示蹤測速分析、水下泥沙淤積實驗以及水中網箱的變形分析等，因而如何高精度、快速地獲取目標點的坐標顯得尤為重要。視覺測量技術通過圖像采集分析的方式重構目標的三維空間坐標信息，具有非接觸、精度高、測量范圍廣等優點，可以很好地滿足模型試驗的要求。然而，目前使用視覺測量方法對目標體進行三維重構時，視覺系統與被測目標往往都處在同一介質環境下(如空氣)，而水槽實驗時為了不對流體產生擾動，一般將視覺系統放置在玻璃水槽的外面，隔著玻璃觀測水中目標物體的運動，因此被測目標與視覺系統之間除了空氣這一介質外，還存在著玻璃介質與水介質。在這三種不同折射率介質的作用下，目標物原有的成像光路發生了改變，所以利用不同角度像點位置通過直線光路交匯的方式重構目標點的空間坐標會產生較大的誤差。目前，針對這一問題所采取的解決方法有三種:
[0003]I)將攝像系統的光軸與水槽玻璃屏幕垂直，忽略折射影響。
[0004]2)在水下進行光學定標，將折射問題簡化為成像畸變問題。
[0005]3)在實驗水槽中放入折射率匹配液對折射光線進行校正。
[0006]方法I中利用垂直介質入射的光線光路不發生改變原理對接近法線方向的成像光線忽略其折射的影響。該方法的分析過程較為簡單，仍使用視覺測量的三維重構公式，但是為了忽略折射影響而僅采用圖像中心附近的成像區域，很大程度上縮小了測量范圍，限制了該測量方法的應用范圍。方法2雖然考慮了折射的影響，但通過修正成像畸變的方法來修正折射的影響效率較低，因為測量時目標物在水中的位置是不固定的，被測目標到攝像系統的距離是變化的，所以介質的厚度不同，因此若要準確修正成像畸變，就需要隨著距離的變化而準確地變化畸變參數，而這一過程在實際實驗過程中是較難做到的。另外，水下的光學定標在深水水槽中操作也較為困難。方法3常用于忽略玻璃影響而僅考慮水介質影響的情況下。這種方法采用了添加試劑的方法來提高測試精度，雖然在理論上可以很好解決折射影響，但是實際中很難這么操作，因為水槽實驗都具有一定的規模，若整個水槽進行匹配的話則試劑用量較大，實驗成本提高。另外，試劑的添加影響了水本身的流體力學特性，嚴重影響了實驗的結果，加大了實驗結果的分析難度。
[0007]綜上所述，目前還沒有一種視覺重構技術可以很好地解決實驗水槽中目標點空間坐標的獲取問題。
【發明內容】
[0008]針對水槽實驗過程中介質折射對目標點重構的影響問題，本發明將光學折射規律與視覺測量原理相結合，提出一種視覺重建水槽內目標點空間坐標的方法。[0009]本發明的技術方案如下:
[0010]一種視覺重建水槽內目標點空間坐標的方法，由兩個攝像機；傳輸導線；計算機和實驗水槽組成；兩個攝像機固定在實驗水槽外側，透過玻璃水槽側壁觀測水下目標點，并通過傳輸導線與計算機連接；令成像光線從空氣進入水槽側壁時的折射率為Ii1，從水槽側壁進入水的折射率為n2，水槽側壁厚度為d，左攝像機光心到水槽側壁的距離為h，左攝像機光心坐標(Xmyc^zci);成像光線(8)從空氣到水槽側壁的入射角為α，折射角為β ;成像光線從水槽側壁入射到水中時的折射角為Y，目標點P的空間坐標為(X，y, ζ)，其對應的重構后的虛假點P’的空間坐標為(xw, yw, zw),此時，X = xw, y = yw,而
[0011]
【權利要求】
1.一種視覺重建水槽內目標點空間坐標的方法，其特征在于由兩個攝像機(I);傳輸導線(2 );計算機(3 )和實驗水槽(4 )組成；兩個攝像機(I)固定在實驗水槽(4 )外側，透過玻璃水槽側壁(5)觀測水下目標點(9)，并通過傳輸導線(2)與計算機(3)連接；令成像光線(8)從空氣進入水槽側壁(5)時的折射率為Ii1，從水槽側壁(5)進入水的折射率為n2，水槽側壁(5)厚度為d，左攝像機光心到水槽側壁(5)的距離為h，左攝像機光心坐標(X(l，Ztl)；成像光線(8)從空氣到水槽側壁(5)的入射角為α，折射角為β ;成像光線(8)從水槽側壁(5)入射到水(6)中時的折射角為Y，目標點(9)Ρ的空間坐標為(x，y，z)，其對應的重構后的虛假點(10) P’的空間坐標為(xw, yw, Zw),此時，X = Xw, y = yw,而
【文檔編號】G01B11/00GK103868455SQ201410114494
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月25日 優先權日:2014年3月25日
【發明者】杜海, 孟娟, 李木國 申請人:大連理工大學
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