水下多通道真彩色三维重建与颜色还原方法研究

摘要

水下图像探测是海洋探测的重要方式,近年来随着光电成像技术与三维测距技术的迅速发展,传统的水下图像探测方法逐渐向三维方向发展,随着各国对海洋资源开发利用的重视,水下三维重建方法逐渐成为海洋探测领域的研究热点。
　　线结构光扫描法是一种常用的水下三维重建方法,具有较高的重建分辨率,光束能量较集中,可以减少水下后向散射光的影响,具有较远的探测距离,但传统的线结构光扫描法无法获取目标的彩色信息。本文提出一种多通道结构光扫描方法进行水下目标的真彩色三维重建,改进了线结构光扫描系统,利用三基色激光作为主动光源,以CCD相机作为图像接收器,建立了水下多通道真彩色三维扫描实验系统,分通道获取三基色彩色信息,实验结果表明此方法可在高分辨率三维重建的基础上同时复原目标的真彩色信息。
　　基于线结构光扫描法,本文提出了一种寻址最近标定点的三维重建算法,建立了扫描图像的二维像素坐标系与真实空间的三维世界坐标系的映射关系;采用寻址最近标定点的方法,搜索距数据点最近的标定点,再根据已建立的坐标系映射关系计算三维坐标。此方法不同于传统的结构光扫描三维重建方法,不涉及三角几何关系的计算,高效易行,易于快速、实时地获取并重建三维信息。
　　为还原水下图像的真彩色信息,提出了一种基于感光曲线拟合的三基色校正方法,建立三基色记录值与标准值之间的映射关系,以此作为颜色还原的校正根据。在以上三基色校正方法的基础上,进一步提出基于 CCD相机的水下衰减系数测量方法和衰减颜色补偿方法。
　　为证明以上方法的有效性进行了系统的实验,扫描并重建了水下三维场景,实现了毫米量级三维重建,并成功再现了水下被测物体的真实彩色纹理图像信息;针对不同深度的水下颜色衰减,测量衰减系数,再分别利用两种方法:功率前补偿法、图像后补偿法,进行了水下颜色补偿实验,均实现了较为真实准确的颜色再现。
　　本文提出的方法和系统作为一种水下三维成像方式,可以应用于水下地形环境的探测、水下三维地形图的绘制、水下目标的三维重建、辅助水底资源勘探等方面,具有一定的应用潜力和应用价值。

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1 引言

1.1 研究的内容与目标

1.2 研究背景

1.3 工作意义

1.4 论文结构安排

2 三维重建原理与方法

2.1 结构光扫描基本原理与方法

2.2 三维重建算法与步骤

2.3 实验验证

2.4 本章小结

3 水下多通道颜色校正与补偿原理

3.1 RGB颜色模型

3.2 水下光衰减物理模型

3.3 感光曲线拟合三基色校正法

3.4 水下颜色衰减补偿

3.5 本章小结

4 水下真彩色三维重建实验

4.1 系统介绍

4.2 LLS水下三维重建实验

4.3 RGB LLS水下真彩色三维重建实验

4.4 不同深度水下颜色补偿实验

4.5 本章小结

5 实验结果的分析讨论

5.1 关于三维重建精度

5.2 关于颜色还原的色差

5.3 激光线扩束衰减

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 应用前景

6.3 下一步工作设想

参考文献

致谢

个人简历

课题工作

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