一种基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法

本发明涉及珊瑚生态学，特别是涉及一种基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法。

背景技术：

1、珊瑚礁是复杂多样的海洋生态系统，为全球约 7000-8000 种幼年海水鱼类提供安全的栖息环境。其丰富的结构不仅为鱼类提供充足的食物来源，还通过复杂的缝隙和通道帮助它们躲避捕食者。然而，珊瑚对环境变化极为敏感。自 1950 年以来，受气候变化、过度捕捞和污染等因素影响，全球已有超过 50% 的珊瑚礁消失，而现存珊瑚礁中高达 90%可能在未来 100 年内灭绝。珊瑚的消失将直接导致依赖其生存的鱼类种群不可逆的衰退，并对整个海洋生态系统造成深远影响。

2、在珊瑚生态研究中，珊瑚大小是评估其生长状况、健康状况和营养状态的重要指标。然而，珊瑚生长缓慢且形态不规则，使得准确测量其尺寸面临诸多挑战。实验室测量通常采用热蜡法或铝箔法：热蜡法虽然测量精度较高，但会对珊瑚造成致命损伤；铝箔法虽能减少对珊瑚的伤害，但测量精度较低，且对操作人员的技术要求较高。

3、在野外环境下，珊瑚尺寸测量主要依赖录像法和样带法。这些方法需要专业团队在海底铺设样带并进行影像记录，后期再通过图像分析计算珊瑚尺寸。然而，珊瑚的簇生生长方式、复杂的三维结构以及水下环境的不可控因素（如水流、能见度等）都会显著影响测量精度。此外，样带铺设过程可能对珊瑚表面造成机械损伤，增加其感染病害的风险。

4、目前，国外已有研究采用 3d 扫描技术对活体珊瑚进行无损测量，但该方法需要将珊瑚样本移出水体，仅适用于实验室环境，难以应用于野外珊瑚礁的长期监测。国内现有的珊瑚测量方法大多依赖人工操作，如部署测量框架、设置标尺或水平仪等，不仅步骤繁琐，而且难以保证测量的一致性和准确性。

5、综上，现有珊瑚测量技术存在如下技术问题：实验室测量的热蜡法会造成珊瑚不可逆损伤，铝箔法精度低、人员专业性要求高；野外录像法、样带法受珊瑚形态、水下环境干扰测量精度差，样带铺设易损伤珊瑚，现场操作与后期处理繁琐，监测效率低；境外 3d 扫描方案仅可在实验室使用，无法用于野外原位监测；国内现有方案高度依赖人工，操作繁琐，测量一致性、准确性难以保障。因此，开发一种适用于野外环境、操作简便且对珊瑚无害的高精度测量方法，对于珊瑚生态研究和保护具有重要意义。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明提供一种基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法，包括如下步骤：

4、s1、图像采集：获取待测珊瑚目标的多角度图像，拍摄场景内放置物理标尺，得到珊瑚目标原始图像集合；

5、s2、图像预处理：对所述珊瑚目标原始图像集合执行图像预处理，得到预处理后图像集合；

6、s3、特征点检测与匹配：对预处理后图像集合执行特征点检测，建立不同图像之间特征点匹配对应关系，剔除误匹配对；

7、s4、运动恢复结构：基于匹配完成的特征点，求解各图像的相机位姿，重建得到场景稀疏三维点云，结合物理标尺信息完成尺度约束；

8、s5、多视图立体匹配：基于相机位姿与稀疏三维点云，生成稠密三维点云，利用物理标尺标定稠密三维点云真实物理尺度；

9、s6、点云处理与网格化：对稠密三维点云执行噪点清理过滤，将处理后的稠密点云转换为三角网格模型；

10、s7、纹理映射：将原始图像颜色信息映射至三角网格模型表面，得到带纹理的珊瑚三维网格模型，基于该珊瑚三维网格模型提取珊瑚形态测量参数。

11、进一步的，所述s1图像采集步骤中，搭载水下相机环绕待测珊瑚目标进行覆盖式拍摄得到多角度图像；拍摄过程中物理标尺放置于待测珊瑚目标附近，不遮挡待测珊瑚目标；拍摄时采用均匀光照条件。

12、进一步的，所述s2图像预处理包括镜头畸变校正、色彩与光照校正、图像降噪滤波；根据原始图像实际质量选择性执行部分或全部预处理步骤。

13、进一步的，所述镜头畸变校正利用预标定得到的相机内参和畸变系数，通过几何变换消除镜头径向畸变与切向畸变；所述色彩与光照校正包含白平衡、对比度亮度提升、饱和度补偿、水下图像去雾复原；所述图像降噪滤波采用滤波算法抑制图像噪声，可选择性执行图像锐化恢复图像细节。

14、进一步的，所述s3特征点检测与匹配，通过高斯尺度空间定位图像关键点，计算描述向量相似度生成初始匹配对，采用ransac算法剔除误匹配对。

15、进一步的，所述s4运动恢复结构，通过几何约束求解图像拍摄的旋转、平移参数得到相机位姿，完成初始对齐，结合标尺特征点保障重建尺度准确性。

16、进一步的，所述s5多视图立体匹配，基于归一化互相关计算像素相似度，优化深度图能量函数生成稠密三维点云；选取标尺标度两端输入标尺实际长度，完成稠密三维点云真实尺度赋值。

17、进一步的，所述s6点云处理与网格化包括过滤离群点，点云转三角网格，可选择性执行平滑、边缘保持滤波处理。

18、与现有技术相比，本发明所公开的技术方案，具有以下有益效果：

19、1.本发明采用无接触图像采集方式，不需要接触、搬运珊瑚样本，不需要铺设样带，完全避免对珊瑚组织造成机械损伤，解决传统热蜡法、野外样带法损伤珊瑚的技术缺陷，可适用于野外原位珊瑚礁长期监测；

20、2.通过物理标尺对sfm/mvs重建过程增加尺度约束，为三维模型赋予真实物理尺寸，克服水下成像环境干扰带来的尺度失真问题，提升珊瑚尺寸测量精度；

21、3.整套流程大部分步骤可自动化执行，降低人工操作依赖，减少人工布设框架、标尺等繁琐操作，提升单株珊瑚测量效率，适用于大范围珊瑚礁普查；

22、4.输出完整珊瑚三维网格模型，除常规尺寸参数外，还可实现珊瑚结构复杂度指标的量化提取，拓展珊瑚生态评估可用指标。

23、本方法不需要将珊瑚移出水体，可直接在野外水下原位开展测量；克服传统人工测量、实验室破坏性测量的弊端。经测试验证，重建模型与原始模型的均方根rms误差低，能够可靠还原珊瑚三维形态，获取珊瑚生长相关测量参数。

1.一种基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法，其特征在于，所述s1图像采集步骤中，搭载水下相机环绕待测珊瑚目标进行覆盖式拍摄得到多角度图像；拍摄过程中物理标尺放置于待测珊瑚目标附近，不遮挡待测珊瑚目标；拍摄时采用均匀光照条件。

3.根据权利要求1所述的基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法，其特征在于，所述s2图像预处理包括镜头畸变校正、色彩与光照校正、图像降噪滤波；根据原始图像实际质量选择性执行部分或全部预处理步骤。

4.根据权利要求3所述的基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法，其特征在于，所述镜头畸变校正利用预标定得到的相机内参和畸变系数，通过几何变换消除镜头径向畸变与切向畸变；所述色彩与光照校正包含白平衡、对比度亮度提升、饱和度补偿、水下图像去雾复原；所述图像降噪滤波采用滤波算法抑制图像噪声，可选择性执行图像锐化恢复图像细节。

5.根据权利要求1所述的基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法，其特征在于，所述s3特征点检测与匹配，通过高斯尺度空间定位图像关键点，计算描述向量相似度生成初始匹配对，采用ransac算法剔除误匹配对。

6.根据权利要求1所述的基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法，其特征在于，所述s4运动恢复结构，通过几何约束求解图像拍摄的旋转、平移参数得到相机位姿，完成初始对齐，结合标尺特征点保障重建尺度准确性。

7.根据权利要求1所述的基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法，其特征在于，所述s5多视图立体匹配，基于归一化互相关计算像素相似度，优化深度图能量函数生成稠密三维点云；选取标尺标度两端输入标尺实际长度，完成稠密三维点云真实尺度赋值。

8.根据权利要求1所述的基于三维重建的无接触式珊瑚测量方法，其特征在于，所述s6点云处理与网格化包括过滤离群点，点云转三角网格，可选择性执行平滑、边缘保持滤波处理。