基于折射模型的水下双目视觉系统标定方法的研究

摘要

水下计算机视觉在海洋技术中有着广泛应用，如：海底地形测绘、海洋资源探测、海洋环境研究等。计算机双目视觉作为其中一个分支，由以下几部分构成：图像的采集和处理、双目摄像机标定、立体匹配以及三维重建等。而水下相机的标定作为其中基础环节，具有重要作用。相机标定的准确与否将直接对于后期立体匹配和三维重建的精确性有很大影响。本文针对水下的特殊环境，结合现有的水下相机标定方法，对水下双目相机的标定做出一些改进，具体工作如下：
　　首先对相机在水下特殊环境的成像进行了研究。由于相机在水下成像不同于空气中的单介质成像，水下物体发出的光线需要经过“水—玻璃—空气”三种介质发生多次折射才能最终投影到相机成像面上。而空气中成像不存在折射问题，所以空气中对应的成像模型不再适用，因而需要针对水下相机成像的一般性折射问题重新建立水下相机折射成像模型。
　　其次，在水下相机一般性折射成像模型的基础上，提出水下双目系统标定方法。由于空气中的相机标定方法不再适用，针对现有标定方法存在的问题，通过分析水下光线多次折射投影到成像面过程中存在的几何关系，最终建立水下物点与成像面上对应投影点之间的数学关联。将折射模型“投影点”与实际检测像点之间的绝对误差（投影误差）作为评价标准。然后在MATLAB中结合粒子群优化算法对上述建立的误差函数优化求解，经过多次迭代最终获取水下双目系统未知参数最优解。
　　最后，为了检验本文折射模型及标定算法的准确性，分别进行了合成图模拟实验和实际水下实物图实验。模拟实验中，通过模拟合成多幅不同姿态的水下标定板图像，然后利用本文的标定方法对系统中的未知参数进行标定，对比标定参数结果与预设参数理论值来检验标定方法准确性。实际实验中，主要分为两部分：首先是在空气中对相机内参数的标定，利用张正友标定法实现；其次是对水下相机的折射参数的标定，提取多组水下标定板角点和对应空间点坐标作为已知数据，并结合本文建立的优化标定方法，同时优化求取左右相机的折射参数，最终实现水下双目系统结构装置折射参数的综合标定。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究的意义和背景

1.2 课题研究现状

1.3 本文的研究内容及论文组织结构

第2章 摄像机基本成像模型及标定方法

2.1 引言

2.2 相机基本成像模型

2.3 摄像机基本标定方法

2.4 本章小结

第3章 双目视觉系统水下折射模型建模分析

3.1 引言

3.2 水下双目视觉系统成像模型

3.3 水下折射处理方法研究

3.4 本章小结

第4章 基于折射模型的水下双目系统标定

4.1 引言

4.2 基于折射模型的水下双目系统标定方法

4.3 基于折射模型的水下空间点定位

4.4 本章小结

第5章 实验分析

5.1 引言

5.2 模拟实验

5.3 实际实验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢