一种适配窄长型水工实验水槽的动态三维重建系统与方法

本发明属于水利工程水工模型实验观测，具体涉及一种适配窄长型水工实验水槽的动态三维重建系统与方法。

背景技术：

1、在水利工程水工模型实验领域，窄长型水工实验水槽是开展溃坝演化、堰塞体溃决、泥沙输移、水沙两相流运动等各类水工机理实验的通用核心设备，其核心结构特征为截面尺寸远小于轴向长度，整体呈长条型。目前，本领域主流的实验观测方案为二维高速相机观测技术，该技术作为行业常规观测手段，存在诸多固有缺陷，首先在视角方面，固定机位拍摄存在固定视角的观测盲区与遮挡问题，无法全面捕捉实验区域的完整空间信息；其次在精度方面，该技术仅能获取平面投影信息，无法提取实验场景的深度数据与三维空间参数，这就导致溃口流量、输沙量等关键实验指标的估算存在系统误差，观测精度难以满足实验需求；此外，在多相介质共存的实验场景下，二维图像还存在信息重叠、介质边界模糊的问题，无法直观区分多相介质的空间分布与动态演化过程；最后在适配性方面，针对不同长度、不同类型的水槽实验，二维拍摄的机位调整难度大，无法快速适配不同实验的观测区域需求，部署灵活性较差。

2、现有技术中，通用多视角三维重建技术已在工业检测、静态测绘等场景成熟应用，但该技术与水工水槽实验场景存在明显的场景差异，无法直接适配水槽实验的动态观测需求。同时，现有水工水槽三维重建方案还存在两大核心针对性缺陷，成为制约技术落地的关键瓶颈。一方面核心矛盾突出，相关方案要么采用单截面固定多相机密集布设的方式，这种方式不仅硬件成本极高，且机位调整难度大，无法灵活适配不同长度水槽；要么采用单相机旋转扫描的方式，这种方式仅能适配静态场景，无法满足高速瞬态水工实验“同一时刻多视角同步采集”的刚性需求。另一方面，多单元轴向布设方案存在精度隐患，现有多单元轴向布设的水槽三维重建方案，缺乏标准化的全局坐标系统一标定方案，容易出现轴向拼接误差随水槽长度累积放大的问题，最终导致长水槽全区域重建精度不足，这一缺陷成为该类方案落地应用的致命阻碍。

3、目前，本领域尚未形成针对窄长型水槽实验场景、可灵活部署、能兼顾高速动态同步采集与低硬件成本的成熟三维重建观测方案，存在明显的技术空白。本发明针对上述二维观测技术的固有缺陷、现有三维重建方案的核心瓶颈，提出一种可兼顾“高速动态同步采集、低硬件成本、全区域灵活适配、高精度重建”的一体化解决方案，填补本领域技术空白，并非现有技术的简单拼接，可有效满足各类窄长型水工实验水槽的动态观测需求。

技术实现思路

1、针对上述存在问题，本发明提出一种适配窄长型水工实验水槽的动态三维重建系统与方法，先要解决传统二维高速相机观测技术在窄长型水工实验水槽应用中的视角盲区、精度不足、信息重叠、适配性差这四大固有缺陷，打破传统观测技术的局限；其次要解决现有水工水槽三维重建方案无法兼顾“高速瞬态实验同一时刻多视角同步采集”与“低硬件成本全视角密集采集”的核心矛盾，填补动态水工场景下旋转式三维重建的技术空白；与此同时，还要解决多组拍摄单元轴向阵列布设时，全局坐标系不统一、轴向拼接误差累积、长水槽全区域重建精度不足的问题，突破长水槽观测的精度瓶颈；此外，针对水工实验场景的特殊性，需解决水体反光、折射、透明流动干扰导致的特征匹配失效、三维重建精度差的问题，提升系统在有水场景下的适配能力；最后，实现窄长型水工实验水槽全流程、全区域的动态三维可视化重建与量化分析，可灵活适配不同尺寸、不同类型的水工实验需求，同时解决现有三维重建系统中云台无法周向步进旋转联动拍摄、全视角采集成本高、动态适配性不足的问题，进一步提升系统的观测精度与部署灵活性。

2、上述的目的通过以下技术方案实现：

3、本发明首先提供一种适配窄长型水工实验水槽的动态三维重建系统，该系统包括位置调节机构、多组可独立移位的拍摄单元、同步控制与数据处理系统；所述位置调节机构布设于窄长型水工实验水槽周边，延伸方向与水槽轴向一致，为全系统共用的移位基准，位置调节机构上配套安装多组可独立滑动的可移动锁止支撑组件，每组组件均可沿位置调节机构轴向自由滑动并在预设位置锁止固定；多组拍摄单元沿水槽轴向阵列布设，相邻拍摄单元设置视场重叠度≥60%的重叠区域，每组拍摄单元均通过1组可移动锁止支撑组件与位置调节机构连接，每组拍摄单元均包含拍摄承载机架与图像采集组件；所述同步控制与数据处理系统与所有拍摄单元的可调云台、驱动执行机构、相机均通信连接，用于实现云台旋转、锁止与相机拍摄的同步联动，以及基于采集图像完成三维重建处理。

4、进一步地，所述拍摄承载机架围绕水槽周向布设，机架上设置有周向轨道，拍摄承载机架采用环形闭环形式、c型/u型非闭环开口形式或多立柱式结构；所述可移动锁止支撑组件采用螺栓锁止、抱箍锁止、磁吸锁止或气动锁止方式。

5、进一步地，所述图像采集组件包含n≥3台可调云台、驱动执行机构与相机，其中高速瞬态实验单组拍摄单元相机数量≥5台，长时序常规实验单组拍摄单元相机数量≥3台；可调云台沿拍摄承载机架的周向轨道均匀布设，每个可调云台上均搭载一台相机，驱动执行机构与可调云台传动连接，用于驱动所有可调云台及相机沿周向轨道同步做步进式旋转运动，可调云台旋转至预设拍摄角度后锁止角度偏差≤±0.1°；相机均配置线偏振镜，高速瞬态实验选用帧率≥1000fps、分辨率≥1920×1080的高速相机，长时序实验选用帧率50-200fps、分辨率≥1280×720的相机。

6、进一步地，所述同步控制与数据处理系统的硬件同步触发延迟≤1ms，软件同步触发延迟≤10ms，可在云台锁止稳定后延迟≤500μs触发相机拍摄；同步控制与数据处理系统采用的多视图立体匹配三维重建算法包括增量式sfm算法、光束法平差算法、异常值滤除算法与稠密重建算法。

7、进一步地，所述系统还包含多组拍摄单元全局坐标系标定模块，配套设有全局标定靶标，可通过靶标布设、坐标转换与配准完成多组拍摄单元的全局坐标统一，实现50m以内长水槽全区域重建的轴向累积误差≤2mm；所述系统还包含水工水体场景专属适配模块，包括相机偏振镜配置、水体折射校正模型、反光抑制的图像预处理方法，可使有水场景下的重建精度与无水场景偏差≤3%。

8、本发明还提供一种适配窄长型水工实验水槽的动态三维重建方法，基于上述的动态三维重建系统实现，包括以下步骤：

9、步骤1：实验前部署与标定，根据实验方案与水槽尺寸布设对应数量的拍摄单元，调整并固定拍摄单元位置，完成多组拍摄单元全局坐标系统一标定、可调云台周向旋转定位标定、相机内外参数与空间位姿标定，同时完成相机偏振镜调节与水体折射校正模型参数标定；

10、步骤2：周向旋转-多视角同步图像采集，实验启动后，通过同步控制与数据处理系统执行同步步进旋转-同步到位锁止-同一时刻全相机同步拍摄-再次同步步进旋转的循环采集流程，完成水槽单截面全视角范围的多轮次同步采集，并按预设时间序列完成实验全过程多个时刻的全视角同步图像采集；

11、步骤3：单时刻三维场景重建，针对同一时刻采集的多视角同步图像，依次进行粗粒度抗噪预筛选、水体场景专属精细化预处理、特征匹配优化、水体折射几何校正、稀疏重建与流体时序几何连续性滤波、稠密重建、多轮次数据交叉校准，还原得到该时刻水槽内实验场景的三维模型；

12、步骤4：实验全过程动态重构，将实验全过程中不同时刻的三维模型按采集时间序列进行拼接融合，完成多组拍摄单元的点云拼接、轴向误差累积抑制与时序全局校准，最终生成实验场景的动态三维演化视频，实现实验全过程的三维可视化复现。

13、本发明相比现有技术的有益效果是：

14、1.本发明可直接替代传统二维高速相机观测方式，有效解决其固有缺陷，同时弥补现有三维重建方案的不足，带来多方面的技术提升。通过围绕水槽周向布设的多视角相机，结合可调云台的周向同步步进旋转功能，本发明能够实现对水槽实验区域360°全视角覆盖，彻底解决了传统二维拍摄的视角遮挡与观测盲区问题，可全面捕捉实验场景的完整空间信息。借助多视角同步图像的三维重建，本发明可精准获取实验场景的深度信息与三维空间参数，彻底解决了二维平面投影的系统误差问题，大幅提升关键实验指标的测算精度，为实验数据的准确性提供保障。

15、2.在多相介质观测方面，本发明可直观还原水、土、砂等多相介质的三维空间分布与界面演化特征，解决了二维图像信息重叠、边界模糊的问题，为实验机理研究提供了更直观、精准的观测数据，助力科研人员深入探究水工实验的内在规律。同时，本发明具备全场景灵活适配能力，拍摄单元的布设数量、安装位置，以及云台与相机的配置方案，均可根据水槽尺寸、实验类型与观测需求灵活调整，可适配任意尺寸的窄长型水槽，以及各类水工机理实验，大幅提升了系统的通用性与实用性。

16、3.本发明还能实现实验全过程的时序三维重建，将离散时刻的三维模型拼接为动态演化视频，完整复现实验现象的三维演化过程，为实验数据的可视化分析、后处理与成果展示提供了全面支撑。在成本控制方面，通过“单组拍摄单元+周向可旋转云台”的组合结构，无需在水槽周向布设大量相机，仅通过云台的同步步进旋转联动拍摄，即可实现全视角密集采集，相同采集密度下，相机数量仅为固定多相机方案的1/4-1/3，硬件成本降低60%以上，同时保证了采集数据的完整性，实现了低成本与高采集质量的平衡。

17、此外，同步控制与数据处理系统实现云台旋转动作与相机拍摄动作的同步联动，可根据实验动态特性灵活调整云台旋转角度、拍摄时序与采集间隔，动态适配不同实验的观测需求，提升观测的智能化水平与数据采集的针对性。通过全局坐标系统一标定与点云拼接优化，本发明解决了长水槽轴向拼接误差累积的问题，突破了长水槽观测的精度瓶颈。针对水工实验的特殊场景，通过偏振镜配置、折射校正模型与反光抑制算法，本发明有效解决水体反光、折射干扰问题，有水场景下的重建精度与无水场景偏差≤3%，确保水工实验场景下的重建精度稳定性。

18、4.本发明通过各技术特征的有机组合，实现了单个技术特征无法达到的协同效果，显著提升了系统的整体性能。在核心采集逻辑方面，“多相机同步整组旋转+同一时刻同步采集+多轮次数据互为校准”的协同作用，既保证了高速动态场景的时空同步性，满足高速瞬态实验同一时刻多视角采集需求，又实现了低硬件成本的全视角密集采集，相同采集密度下，相机数量仅为固定多相机方案的1/4-1/3，硬件成本降低60%以上，产生了现有技术无法达到的预料不到的技术效果。

19、5.在轴向观测与精度控制方面，轴向多单元阵列布设与全局坐标统一标定的协同作用尤为突出，单独使用可移动的拍摄单元，仅能实现单截面全视角覆盖，无法兼顾长水槽轴向全区域的观测需求；单独使用共用的位置调节机构，仅能提供轴向移动基准，无法解决单视角拍摄的盲区、平面投影精度不足的问题；单独设置全局坐标标定模块，缺乏多单元阵列布设的支撑，无法实现长水槽全区域覆盖。本发明将共用位置调节机构、可移动锁止支撑组件、多组拍摄单元与全局坐标标定模块有机组合，通过多组拍摄单元阵列布设实现长水槽全区域覆盖，通过全局坐标标定模块实现坐标统一与误差抑制，既实现了长水槽全区域覆盖、核心观测区域高精度重建，又通过共用位置调节机构降低了部署成本，解决了长水槽全区域覆盖与误差累积的核心矛盾，取得了单个技术特征无法实现的协同效果。

20、6.在场景适配方面，单独使用通用三维重建技术，无法直接适配窄长型水槽的大长宽比结构与动态实验场景，单独使用传统二维观测技术，无法获取三维空间数据；本发明通过场景适配的组合方案，将成熟的三维重建技术与水工水槽动态场景、水体抗干扰技术、全局标定技术结合，落地应用于水槽实验场景，填补了本领域的方案空白，实现了技术的跨界融合与创新应用。

21、7.在系统联动方面，单独使用可调云台，无法实现精准的周向同步旋转定位与拍摄联动，单独使用同步控制与数据处理系统，缺乏有效的执行机构支撑其控制逻辑落地，单独使用拍摄承载机架，无法实现图像采集组件的灵活旋转。本发明通过“轴向可移动拍摄单元+周向可旋转云台+驱动执行机构+全局同步控制”的协同组合，实现了“轴向全区域覆盖+周向全视角采集+动态同步联动”的一体化观测，既保证了观测范围的完整性，又提升了数据采集的精度与效率，同时实现了低硬件成本与高观测性能的平衡，其协同效果远优于单个技术特征的单独应用。