水下线结构光测量工具的校正方法

本发明属于光学精密测量领域，具体涉及一种水下线结构光测量工具的校正方法。

背景技术：

1、线结构光系统用于水下成像时，往往需要被安装在密封的腔体内，相机通过具有一定厚度的玻璃拍摄水下图像。而水下拍摄到的图像会因为水、玻璃、空气等不同折射率的介质发生折射，给扫描出的点云带来非线性误差。目前多种水下线结构光测量中需要对系统进行水下标定，这种标定方法操作繁琐，且受环境因素影响较大，或忽视玻璃的折射作用导致测量精度降低。

技术实现思路

1、本发明目的旨在解决以上难题，提供一种水下线结构光测量工具的校正方法。水下线结构光测量工具包括相机、激光器、折射玻璃，该方法包括以下步骤：在空气中标定获取相机内参、激光平面和相机激光器空间相对位置，其中，相机内参包括相机的水平和垂直焦距、图像原点相对于相机光心的水平和垂直偏移量，激光平面指的是激光器发射出的线激光平面，相机激光器空间相对位置指的是激光器在相机坐标系下的坐标；通过线结构光测量系统的相机采集水下图像数据，获取原始点云数据；通过对原始点云中每个点进行校正计算，得到水下物体的精准点云数据。

2、在上述方法中，所述的通过对原始点云中每个点进行校正计算，得到水下物体的精准点云数据包括：

3、将斯涅尔定律应用至三维空间可得：

4、

5、其中，vi和vi+1表示入射向量和出射向量，ni和ni+1表示入射向量所在介质的折射率和出射向量所在介质的折射率，ni表示折射平面的单位法向量，与以上n1,2的关系是入射向量和出射向量均与法向量n1,2同向(平行)，i是发生折射的平面，i和i+1表示入射和出射的光线关系；

6、由上式可以得到en和fm的空间矢量方程，其中p为光线折射后p’点在空间中的实际位置，e点为激光器l与p’点所在直线在折射玻璃第一平面的交点，f点为相机坐标系原点oc与p’点所在直线在所述第一平面的交点，n点为直线lp’经过所述第一平面发生折射后与折射玻璃第二平面的交点，m点为直线ocp’经过第一平面发生折射后与折射玻璃第二平面的交点：

7、

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9、其中，n1表示第一平面法向量，n2表示第二平面法向量，指的是相机坐标系下p’点坐标减去l点坐标得到的空间矢量的转置，指的是相机坐标系下p’点坐标减去oc点坐标得到的空间矢量的转置，xen、yen、zen指的是矢量在x,y,z的三个分量，xfm、yfm、zfm指的是矢量在x,y,z的三个分量，na、ng、nw分别为空气、玻璃和水的折射率；

10、由下式得到np和mp的空间矢量方程：

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12、

13、其中，指的是空间矢量的转置，指的是空间矢量的转置，xnp、ynp、znp指的是矢量在x,y,z的三个分量，xmp、ymp、zmp指的是矢量在x,y,z的三个分量；

14、由空间中点l和p’坐标，求出直线lp’和第一平面的交点坐标e(xe,ye,ze)，计算出直线ocp’和第二平面的交点坐标f(xf,yf,zf)。

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17、其中，(xl,yl,zl)指的是激光发射器在相机坐标系下的坐标l，xg、yg、zg指的是p'(xg,yg,zg)，为相机坐标系下p’点坐标，x1、y1、z1指的相机坐标系原点oc(x1，y1,z1),z指的是：z方程组z-ds＝0为第一平面在相机坐标系下的平面方程，ds指的是相机到第一平面的直线距离；

18、如下求得n点坐标：

19、(xn,yn,zn)＝(xe+xen,ye+yen,ze+zen)

20、由n点坐标(xn,yn,zn)和方向向量npvnp＝(xnp,ynp,znp)得到np的空间直线方程；

21、表示为矩阵形式为：

22、如下求得m点坐标：

23、(xm,ym,zm)＝(xf+xfm,yf+yfm,zf+zfm)

24、由m点坐标(xm,ym,zm)和方向向量mpvmp＝(xmp,ymp,zmp)得到mp的空间直线方程：

25、表示为矩阵形式为：

26、假设s和t为标量，则mn上任意点l0和np上任意点l1的坐标可以表示为：

27、

28、两条直线上任意两点之间距离的平方可以写成：

29、j＝(l0-l1)2

30、＝vmp2·s2+vnp2·t2-2vmp·vnp·s·t+2(m-n)·vmp·t-2(m-n)·vnp·t+(m-n)2

31、则j可以表示为s和t的函数：

32、j＝f(s,t)

33、求s,t对j的偏导数，当偏导数为0时，j为最小值：

34、

35、由于方向矢量vmp和vnp为单位向量，因此vmp2＝vnp2＝1，代入上式得到：

36、

37、令c＝vmp·vnp，d0＝(n-m)·vmp，d1＝(n-m)·vnp，代入上式得：

38、

39、得到s和t的值，便能够得到mp和np上最近的两个点p1和p2的坐标，这两个点的中点即为p点。

40、

41、最终如下得到p点坐标的计算公式：

42、

43、根据本发明技术方案，带来以下有益技术效果：可避免复杂的水下标定工作，考虑到玻璃和水介质对折射的影响，校正水下折射误差时，除了在深度方向进行校正外，对目标点三维空间中三个方向的坐标也进行校正。

技术特征：

1.一种水下线结构光测量工具的校正方法，水下线结构光测量工具包括相机、激光器、折射玻璃，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的水下线结构光测量工具的校正方法，其特征在于，所述的通过对原始点云中每个点进行校正计算，得到水下物体的精准点云数据包括：

技术总结
本发明公开了一种水下线结构光测量工具的校正方法，水下线结构光测量工具包括相机、激光器、折射玻璃，包括以下步骤：在空气中标定获取相机内参、激光平面和相机激光器空间相对位置，其中，相机内参包括相机的水平和垂直焦距、图像原点相对于相机光心的水平和垂直偏移量，激光平面指的是激光器发射出的线激光平面，相机激光器空间相对位置指的是激光器在相机坐标系下的坐标；通过线结构光测量系统的相机采集水下图像数据，获取原始点云数据；通过对原始点云中每个点进行校正计算，得到水下物体的精准点云数据。使用该方法对水下物体进行测量，考虑了一定厚度玻璃和水介质折射率对测量的影响，可以获得水下物体的精确点云信息。

技术研发人员：冯常,李竞天,赵建平,蔡根,何胜波,吴国强,李翰儒,王东升,郭战岭
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/6/26