水下结构光大尺度三维探测技术研究

论文摘要

为了实现对水下物体高精度、大尺度的测量,本文以图像处理和机器视觉理论为基础,采用结构光三维测量技术为主要手段,设计了一种由CCD摄像机、线激光投射器和振镜构成的水下结构光大尺度三维探测系统。首先,设计了系统并通过分析系统的工作原理,建立了系统的模型;然后,分析了影响系统精度的主要参数,提出了系统的标定方法;最后,使用补偿算法得到了水下目标三维数据,通过实验证明了该系统和标定方法的可行性。本文主要的研究内容有以下几个方面:1.提出了系统参数的标定方法。在本系统中,两坐标系间的旋转矩阵与平移向量在很大程度上影响着系统的精度。使用基于径向排列约束的摄像机现场标定方法标定出摄像机的焦距,并以此方法为基础,运用光心、摄像机像面和靶标的位置关系,通过一定的算法得到了任意位置下摄像机坐标系下线结构光光平面的方程。运用光平面之间的关系和坐标轴旋转得到摄像机坐标系和振镜坐标系之间的旋转矩阵和平移向量。2.水下目标物体三维数据的获取。进行水下测量时,系统会根据程序自动旋转振镜,振镜每旋转一个角度,摄像机拍摄一次,得到的数据先经过结构光光平面的折射修正和摄像机像面坐标补偿,然后,利用摄像机小孔成像模型和结构光平面方程的约束获取水下目标物体三维数据。3.设计了水下线结构大尺度三维测量系统和控制软件。通过振镜的转动可以使光条扫过被测物体的表面,能够得到被扫描的物体表面点的坐标,从而达到对水下物体进行快速大尺度高精度测量的目的。对于水下线结构大尺度三维测量系统,开发了控制软件,并对AUV系统提供了结构光部分控制的动态链接库。通过软件可以对系统的各个部分进行控制,并可以完成摄像机的标定、摄像机拍摄图像的实时显示、点云数据存储、和路上测量和水下测量。本文的创新之处在于提出了一种新的求取摄像机坐标系与振镜坐标系旋转矩阵和平移向量的方法,实现了水下结构光大尺度三维探测系统,能够精确的得到水下物体的三维坐标并将结构光系统用于水下自主机器人的导航。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 结构光三维测量方法
• 1.1.2 水下探测技术概述
• 1.2 水下结构光测量技术研究现状
• 1.2.1 水下线结构光视觉探测技术的测量原理
• 1.2.2 水下结构光测量技术研究现状
• 1.3 本课题研究的意义和主要研究内容
• 2 水下线结构光三维探测系统概述
• 2.1 系统组成和工作原理
• 2.2 系统硬件构成
• 2.3 系统结构优化设计
• 3 摄像机的建模与标定
• 3.1 摄像机数学模型的建立
• 3.2 靶标特征点的提取
• 3.2.1 灰度阈值变换
• 3.2.2 直线中心点的提取
• 3.2.3 直线拟合及特征点提取
• 3.2.4 特征点物理坐标的获取
• 3.3 基于径向排列约束的摄像机标定方法
• 3.3.1 摄像机参数的构成
• 3.3.2 径向排列约束（RAC）的基本原理
• 3.3.3 共面条件下的RAC 标定法
• 3.3.4 主点的确定
• 3.4 实验与结论
• 3.4.1 实验
• 3.4.2 结论
• 4 系统模型的标定与目标点三维坐标的求取
• 4.1 系统模型的建立
• 4.2 系统模型的标定
• 4.2.1 基于摄像机光心的线结构光传感器标定
• 4.2.2 系统标定过程
• 4.3 光平面位置的确定
• 4.4 光条中心提取
• 4.5 目标点三维坐标的求取
• 4.6 实验及结果
• 5 水下结构光大尺度三维探测系统的实现
• 5.1 水下补偿算法
• 5.1.1 光平面补偿
• 5.1.2 摄像机补偿
• 5.2 水下自主机器人系统
• 5.3 测量流程及软件介绍
• 5.3.1 标定流程和测量过程
• 5.3.2 软件功能介绍
• 5.4 测量实验
• 5.4.1 水下小范围实验
• 5.4.2 大范围测量实验
• 5.4.3 对复杂形体的测量实验
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文