(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210900329.8 (22)申请日 2022.07.28 (71)申请人 东南大学 地址 210096 江苏省南京市玄武区四牌楼 2 号 (72)发明人 吴刚　侯士通　吴涛　何小元　 张健　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 专利代理师 朱小兵 (51)Int.Cl. G06T 7/80(2017.01) G06T 7/73(2017.01) G06T 5/20(2006.01) G06T 5/00(2006.01)G06F 17/16(2006.01) G06F 17/11(2006.01) (54)发明名称 一种水下三维点云测量方法、 电子设备及存 储介质 (57)摘要 本发明公开了一种密封水箱装置的双目视 觉水下三维点云测量方法、 电子设备及存储介 质， 首先搭建双目视觉水下光学测量系统； 使用 平面标定板对双目相机系统进行空气标定， 获得 相机系统的内参和外参； 构建水下多折射成像模 型， 采用密封水箱内外两套相机结合的方法， 标 定折射平面相对于密封水箱内相机系统的空间 位置； 双目相机系统结合导轨完成物体表面全周 图像采集， 并对采集获得初始图像进行图像增强 与复原处理； 根据处理后的双目相机采集的图 像， 利用三维数字图像相关方法获得局部光学三 维点云数据， 并根据水下多折射成像模型进行三 维点云的修正； 利用编码点统一双目相机所有测 点处获得的三维点云数据， 实现被测物表面全周 光学三维形貌测量。 权利要求书3页 说明书7页 附图2页 CN 115239823 A 2022.10.25 CN 115239823 A 1.一种水 下三维点云测量方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1、 搭建水下三维点云测量系统， 将双目相机系统置于密封水箱内， 密封水箱安装在机 械导轨上； S2、 在整个装置入水前对密封水箱中的双目相机系统进行相机参数以及折射参数的标 定， 建立水 下成像多折 射修正模型； S3、 根据水下被测物尺寸， 确定全周测量所需要的导轨测点数目， 在各个测点完成被测 物全周表面图像采集； S4、 采用图像复原与增强算法对步骤S3采集的图像进行处 理； S5、 先对每次双目相机所采集的图像采用步骤S4中方法进行图像复原和增 强， 再根据 步骤S1中标定出 的相机参数采用三维数字图像相关方法计算出被测物表面的局部初始三 维点云数据； S6、 根据步骤S2中建立的水下成像多折射修正模型， 对步骤S5中获得的局部三维点云 进行修正， 获得修 正后的三维点云数据； S7、 利用近景摄影测量原理， 统一步骤S6中所有双目相机系统测点处获得的三维点云 数据的坐标系， 最终 获得被测物全周表面 三维点云数据。 2.根据权利要求1所述一种水下三维点云测量方法， 其特征在于， 步骤S1中水下三维点 云测量系统采用的光学测量方法为基于双目视觉原理的三维形貌测量方法， 包括线结构光 法、 三维数字 散斑相关法和栅线投影法。 3.根据权利要求1所述一种水下三维点云测量方法， 其特征在于， 步骤S2中密封水箱中 的双目视觉系统进行相机参数以及折射参数的标定包括相机 自身参数标定和密封水箱折 射参数标定； 其中相机自身参数标定具体指： 采用高精度棋盘格标定板标定双目相机的各自的内参 矩阵、 外参矩阵和畸变系数； 密封水箱折射参数标定具体指： 采用密封水箱内外两套相机结合的方法标定折射参 数， 将密封水箱内的相 机系统设为第一双目相 机系统， 密封水箱外的相 机系统设为第二双 目相机系统； 通过第二双目相机系统重构密封水箱玻璃平面相对于第二双目相机系统左相 机的三维点云， 再标定密封水箱内外两套双目相机系统位置转换关系， 通过两套双目相 机 系统的左相机位置转换关系将第二双目相机系统测 量得到的三维点云转换到第一双目相 机系统坐标系中， 最 终标定出密封水箱玻璃平面内外表面在第一双目相机系统左相机坐标 系下的空间方程。 4.根据权利要求3所述一种水下三维点云测量方法， 其特征在于， 玻璃内外表面相对于 双目相机系统左相机光心C0的平面方程S1和S2公式表达如下： S1： z1＝b1+b2x+b3y S2： z2＝(b1+d)+b2x+b3y 其中， b1， b2， b3和d为确定 两个平面方程S1和S2所需要计算的平面方程待定系数； 第二双目相机系统相对于第一双目相机系统的转换关系通过将第一双目相机系统左 相机和第二双目相机系统左相机组成一套双目相机系统， 采用高精度棋盘格标定板进 行双 目标定获得第二双目相机系统左相机相对于第一双目相机系统左相机的空间变换矩阵RT， 公式表达如下：权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115239823 A 2第二双目相机系统中重构出的三维点云中任意一点乘以RT矩阵即为该点在第一双目 相机系统中的位置 。 5.根据权利要求1所述一种水下三维点云测量方法， 其特征在于， 为获得高质量图像用 于三维点云计算， 在步骤S4中进行图像复原与增强处 理； 基于水下图像退化模型图像复原处 理公式表达如下： Ic(x， y)＝Jc(x， y)tc(x， y)+Bc[1‑tc(x， y)] 其中， Ic(x， y)相机获取的图像， Jc(x， y)为真实图像信号， tc(x， y)为水的透射率， 再加 上Bc[1‑tc(x， y)]为背景散射 光； 图像增强算法采用标准中值滤波算法， 公式表达如下： f(i， j)＝median{f(r， s)|f(r， s)∈Nf(i， j)} 式中， Nf(i， j)是f(i， j)的实心邻域， f(r， s)是实心邻域内像素点的灰度值。 6.根据权利要求1所述一种水下三维点云测量方法， 其特征在于， 所述步骤S6具体指： 设Q(X， Y， Z)为初始三维点云中上一目标点， Q ′(Xa， Ya， Za)为基于空气成像模型重建得到的 点； n1、 n2和n3分别表示光在空气、 玻璃和水三种介质中的折射率； C0(x0， y0， z0)为左相机光 心， C1(x1， y1， z1)为右相机光心； 点P1(A1， B1， C1)为光线与空气 ‑玻璃折射面(折射平面S1)的 交点； P2(A2， B2， C2)为和光线与玻璃 ‑水折射面(折射平面S2)的交点； N＝(e1， e2， e3)为折射平 面S1的法向量， 当折射平 面S1、 S2完全平行时， 折射修正 成像模型中， 光线从被测物上一点发 出， 经过水与玻璃的接触面时发生第一 次折射， 光线入射角和折射角分别为θ3和 θ2， 在玻璃 与空气的接触 面发生第二次折射， 光线入射角和折射角分别为θ2和 θ1， 最后光线进入相机中 聚焦于相机焦点并成像， 直线L1、 L1′、 L2、 L2′、 L3和L3′为光线在三种介质中的光路， 直线方程L 公式表达如下： 其中( α1， β1， γ1)为直线L1的方向向量； 将直线方程 L与平面方程S联立， 获得点P1的坐标(A1， B1， C1)， 公式表达如下： 根据Snell折射定律得到直线L1和直线L2方向向量( α1， β1， γ1)和( α2， β2， γ2)之间的关 系为：权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115239823 A 3