基于双目立体视觉的水下高精度三维重建方法

摘要

随着人类经济社会发展，石油、天然气等资源的消耗与日俱增，陆地上这些资源正被开发殆尽。而占地球表面积三分之二的海洋中仍然有大量资源尚未被开发。由于深海环境对人类相当危险，因此对海洋的探索主要依靠水下机器人。利用视觉信息对周围环境进行三维重建，对水下机器人的导航及探索活动具有重要应用价值，也是目前计算机视觉领域的重要研究方向。但由于水下环境较为复杂，水下照片质量下降，并且会发生畸变，使得传统空气中相机标定及三维重建算法不能直接应用于水下。
　　本文针对课题内容及算法要求，对空气中三维重建算法进行了深入研究并改进，以适应水下重建的需要。采用多分辨率立体匹配结合多种约束条件，得到视差图。并且针对目前常用方法中存在的模型阶梯阴影误差问题，提出了一种新的视差图优化方法，利用各向异性滤波处理视差图，使算法的精度及鲁棒性得到了提升，同时运行时间也有所减少，提高了算法效率。
　　针对水下成像模型与空气中模型的区别，对水下相机进行标定并且对存在的像素偏移误差进行补偿。为了研究水下成像过程，本文对理想情况下水下成像过程进行建模，同时改进一种基于平面标定板的水下相机标定方法，将折射参数加入到标定模型中，完成水下相机标定。根据实际实验条件与理想条件不同，建立非理想条件下水下图象复原模型，引入像素偏移误差参数，设计算法对其进行补偿，并进行实验验证补偿效果。补偿后的水下图像即可复原为空气中图像，并且应用空气中的双目重建算法，得到水下物体的三维模型。
　　本文设计了多组实验，分别对多个水下物体进行建模，并且把水下重建结果与空气中的结果进行对比。相对于空气中的重建模型，本课题所提出的算法，有重建精度高、运行效率高、模型完整度好的优点，可以应用在实际水下研究工作中。

目录

第1章 绪论

1.1 课题的研究意义及背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 空气中三维重建领域国内外发展现状

1.2.2 水下三维重建国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 空气中三维重建算法研究

2.1 双目相机标定、图像校正

2.1.1 双目立体标定

2.1.2 图像对齐校正

2.2 多分辨率立体匹配

2.2.1 图像多分辨率处理及顶层匹配

2.2.2 多重约束条件去除误匹配

2.3 视差优化方法及其改进

2.3.1 传统视差优化方法

2.3.2 改进的视差优化方法

2.3.3 反投影

2.4 空气中三维重建结果

2.5 本章小结

第3章 水下相机标定及图像复原校正

3.1 建立水中成像模型

3.1.1 水中、空气中成像模型对比分析

3.1.2 空气中成像模型

3.1.3 水下成像模型

3.2 水下参数初步标定

3.3 水下图像复原校正

3.3.1 水下图像复原建模

3.3.2 非理想情况下图像复原模型建模

3.4 本章小结

第4章 实验结果及分析

4.1 水下标定及校正结果

4.1.1 实验器材

4.1.2 标定及图像偏移校正结果

4.2 水下三维重建实验结果及分析

4.2.1 未添加图像偏移校正的实验结果及分析

4.2.2 添加图像偏移校正后的实验结果及分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢