一种基于双目立体视觉的水下激光出射点定位方法

一种基于双目立体视觉的水下激光出射点定位方法
1.说明书
技术领域
2.本发明属于水下定位领域，具体涉及一种基于双目立体视觉的水下激光出射点定位方法。


背景技术：

3.随着现代科学技术的发展，在加快建设海洋强国的背景下，不同水下作业对水下定位提出了不同方向的需求，从机器视觉定位技术来看，水下视觉定位的发展方向主要集中在提高处理速度、提高处理精度以及增大视场范围等方面。
4.现有的水下立体视觉定位方法是利用双目相机对水下目标物体进行三维定位，通过特征匹配的方式分离目标物体与复杂的背景并确定位置。该方法的缺点有如下几点：1、物体特征在水下环境受光源的影响较大，因此匹配精度不高；2、双目相机受限于其视场，定位范围相对较小；3、水下远距离物体在相机中占据像素少且特征稀疏，因此难以在水下远距离进行精准定位。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于双目立体视觉的水下激光出射点定位方法，该方法利用双目相机以及水下激光获取激光的出射点三维坐标，实现了快速精准定位，增加相机探测范围，处理速度快，定位精度高。
6.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
7.一种基于双目立体视觉的水下激光出射点定位方法，包括如下步骤：
8.s1：将防水激光器放至水中并打开，在水下形成一根细激光束，控制激光出射点不动的情况下调整激光器发射角度；
9.s2：双目相机捕捉到所述激光束，获取左右相机中存在激光束的图像，并获取两帧包含水下不同位置激光的图像；
10.s3：进行图像处理，计算两帧图像中的激光束传播的三维坐标直线方程；
11.s4：利用两条激光直线方程计算激光出射点相对双目相机的三维空间坐标。
12.优选的，在s1中，利用水下云台调整激光器的发射角度，使双目相机中左右相机都拍摄到水下激光束。
13.本发明方法在构思上不要求激光器在初始状态条件时，双目相机中左右相机就能完整拍摄水下激光束，而是通过伺服电机控制激光器不断调整激光发射角度，仅需双目相机在拍摄过程中获取到两帧及以上满足计算激光空间位置条件的图像即可。整个过程需要采集和处理的数据量小，运算速度快，处理精度高，在工作过程中不移动双目相机的位置，仅移动激光器的发射角度，可以有效计算远距离激光的发射点空间坐标，提升了水下定位的定位范围。
附图说明
14.图1是本发明的示意图，其中空间坐标原点为双目相机中心；
具体实施方式
15.本发明目的在于通过双目立体视觉为激光发射点定位，应当明确，在一般应用场景下，通过双目相机拍摄到激光在水下的图像时，通过获取多帧满足要求的图像，即可确定水下激光出射点的位置坐标。而水下作业种类各有不同，例如水下无线光通信在发射端与接收端的对准事先需要跟踪、瞄准、捕获，该过程就需要水下激光出射点的定位。下面以在水下原位探测的应用为例详细说明本发明，但是应当明确，该方法同样适用于其他需要定位水下激光出射点的水下作业，例如水下无线光通信的对准等。
16.第一步：在需要探测的位置摆放激光器，通过水下云台控制激光器上下左右摆动，该步骤的摆动速度可根据相机拍摄视频的帧率进行调整，在摆动过程中，激光的发射角度可以发生变化，但云台需控制激光出射点位置保持不变；
17.第二步：利用双目相机持续拍摄水下场景，得到左右相机拍摄图像均包含激光束的多帧图像；
18.第三步：对拍摄到的符合要求的图像进行处理，计算出每一幅图像中的激光传播空间方程，具体做法如下：
19.首先，在双目相机拍摄工作开展之前，需要提前对双目相机的内外参数进行标定，标定的方法为将棋盘格标定板置于水下，在不改变焦距的情况下调整标定板的位置，选取10-20张图像对水下相机参数进行求解。
20.然后，利用相机参数将左右相机拍摄得到的图像进行立体校正，使左右图像的极线落在同一条水平线上。根据事先已知的激光颜色，将拍摄得到图像中的背景去除，并灰度化处理图像。根据激光光束光强分布原理，处理图像中的激光光线，提取激光束中心线作为激光的传播方向。利用灰度重心的方法处理每一行线激光条纹，将光心的位置记为：
[0021][0022]
其中ui代表第i行图像的光心位置，g
i,j
代表图像在(i,j)位置处的灰度值。
[0023]
计算左右相机同一极线上的激光中心点的像素差值，并将其作为视差，计算激光上每一个点的空间坐标，运算公式如下：
[0024]
[x,y,z,w]
t
＝q
×
[x,y,disparity(x,y),1]
t
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0025]
其中x、y、z代表的是激光线上点相对左相机的的空间坐标，q是双目相机的透视投影矩阵，x、y是激光线上点在左相机上的像素坐标，disparity(x,y)是激光线上点在左右相机中的像素差值。
[0026]
计算出激光上点相对左相机的空间坐标后，根据测量结果将其转换为相对双目相机中心的坐标，通过ransac直线拟合算法，计算出一幅图像中激光在水下相对双目相机中心的空间直线坐标。
[0027]
第四步：利用两条激光直线方程计算激光出射点相对双目相机的三维空间坐标，具体包括如下环节：
[0028]
根据立体几何的计算公式，分别计算出空间两条直线上与另一条直线最近的点，取该两点的中心点作为激光出射点的空间坐标。
[0029]
本发明公开了一种基于双目立体视觉的水下激光出射点定位方法，该方法可以定位到的激光出射点不局限于双目相机的视场范围，且可定位的目标物不局限于激光出射点，在摆动激光器的过程中，仅需保持激光器上的某一个点不变，同样可以将该点作为目标点进行定位。
[0030]
实际应用中，定位精度与双目相机基线的长度以及水下激光出射点相对双目相机的空间距离相关，需要根据具体问题确定双目相机基线的长度，并使用本方法进行快速精准定位。
[0031]
上述实施例只是对发明构思和实现的说明，并非对其进行限制，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。


技术特征：
1.一种立体视觉激光出射点定位方法，其特征在于如下步骤：s1：将防水激光器放置在可调整俯仰角的云台上，并置于水中，通过激光发射装置将单色激光入射于水中，在水下形成一条激光束，在同一位置使用水下云台控制激光器，保证激光出射点位置不变；s2：控制云台改变俯仰角，从而改变激光束在水中的传播路径，但依然在双目相机两个镜头的拍摄画面之内，下文称为左右相机，并保存相机图像，获得两帧不同激光光束传播路径的双目图像；s3：进行图像处理，计算两帧图像中的激光束传播的三维坐标直线方程；s4：利用两条激光直线方程计算激光出射点相对双目相机的三维空间坐标。2.如权利要求1所述的立体视觉激光出射点定位方法，其特征在于：在s1中，双目相机捕捉激光束在水下形成的光柱，左右相机中都存在激光束的图样。3.如权利要求1所述的立体视觉定位方法，其特征在于：在s2中，获取两帧包含水下不同位置激光的图像。4.如权利要求1所述的立体视觉定位方法，其特征在于：在s3中，利用图像处理方法处理双目相机获取的图像，经过立体校正后，计算激光束上每一个点的三维空间坐标，拟合激光束在空间中的直线方程。5.如权利要求1所述的立体视觉定位方法，其特征在于：在s4中，根据两帧激光在水下不同空间位置的图像计算得到的两条激光空间直线方程，通过空间几何方程计算得到距离两条空间直线最近的点，即为激光出射点的三维空间坐标。

技术总结
本发明属于水下定位领域，公开了一种双目立体视觉的水下激光出射点定位方法，定位方法包括以下步骤：S1：将防水激光器放至水中并打开，在水下形成一根细激光束，在同一位置上下摇摆激光器；S2：双目相机捕捉到所述激光束，获取左右相机中存在激光束的图像，并获取两帧包含水下不同位置激光的图像；S3：进行图像处理，计算两帧图像中的激光束传播的三维坐标直线方程；S4：利用两条激光直线方程计算激光出射点相对双目相机的三维空间坐标。该方法定位处理速度快，定位精度高，可提升水下双目立体定位的探测范围。位的探测范围。位的探测范围。


技术研发人员：徐敬 李锦浩 张皓
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2022.06.27
技术公布日：2022/9/2