浑水中模型地形的可视化测量与三维重建方法
【专利摘要】本发明提供一种浑水中模型地形的可视化测量与三维重建方法，首先利用B超仪直接获取水下模型地形的视频图像文件并解析出单帧B超图像；然后根据B超图像中地形亮带的灰度和梯度特征(存在一个突变过程)以及模型地形的在水平方向的连续性，一次性实现单帧图像中地形边界线的单像素提取；再根据连续多帧图像中地形线之间的相似性进行三次样条函数插值重建了水下三维地形。该方法穿透性好、自适应性强，适用于塑料沙、天然沙、煤粉灰、电木粉等水下模型地形；运行速度快，单次运行时间少于0.1秒；测量精度高，单次测量和重建后的水下地形误差均小于1毫末；直观可视，高效快捷，并且有效消除了水中无关运动悬浮颗粒的成像干扰，再现了水下地形原貌。
【专利说明】浑水中模型地形的可视化测量与三维重建方法
【技术领域】
[0001]本发明专利属于水工模型地形测量【技术领域】，特别涉及一种浑水中模型地形的可
视化测量与三维重建方法。
【背景技术】
[0002]河工模型实验是人们认识和研究河流水沙运动、演变和洪水演进规律的重要的手段。模型试验中，水下地形的实时观测与分析对研究河道淤积与水流冲刷具有重要的意义。为了准确获取模型试验中水下地形及其冲淤变化等信息，这就需要寻找一种对水下地形信息进行实时动态观测和分析的装置。近年来，国内外开发了多种测量仪器用于对河工模型地形的测量，如光电反射式地形仪、电阻式地形仪、跟踪地形仪、超声地形仪、激光扫描仪等仪器，目前，这些地形仪大多是点式测量，无法实现对水下模型地形、特别是对动床模型试验中浑浊水流情况下的水下模型地形，进行非接触式的多点在线实时图像测量与三维重建分析。
[0003]随着B超成像技术及其应用的不断发展，B超仪也逐步进入了水利水电领域的模型实验测量研究当中。基于高频超声波回波成像原理的B超仪，指向性好，分辨率高，已经具备了对水下微小颗粒及其水下地形的成像识别能力。在模型实验中，利用B超仪对水下地形进行成像观测，可以直接得到水下断面地形的有关信息，并且不受光照稳定等条件影响适用于各种条件下的模型地形，比如塑料沙、天然沙、煤粉灰、电木粉等水下模型地形。这为水下地形的多点动态实时测量与三维重建提供了一种新的途径。基于此，本发明提出一种基于B超成像的水下模型地形的可视化测量与三维重建方法，再现了水下地形原貌及其冲刷淤积变化过程。
【发明内容】
[0004]本发明提出一种基于B超成像的水下模型地形的可视化测量与三维重建方法，利用基于水槽、B超仪、三维行走平台、计算机的水下地形成像与处理系统，进行基于B超图像的自适应水下地形的快速提取以及基于地形线的水下地形可视化测量与三维重建；具体包括以下步骤，
[0005]步骤1、B超仪的探头与水槽内的水面接触并进行成像获得水下地形的视频图像；计算机控制三维行走平台带动B超探头在水槽上的进行上下、左右、前后三维方向上的运动；
[0006]步骤2、B超仪对水下地形的成像存在一个突变过程，形成一条水平方向连续延伸的地形亮带，采用灰度幅值与梯度之和作为地形边界处的判断依据，再根据地形在水平方向的连续性，进行连续跟踪搜索，依次提取出水下地形边界线，一次性实现单像素地形线的自适应跟踪与快速提取；
[0007]步骤3、标定单个像素点所代表的实际距离，并把水下地形线转化为真实坐标距离；多条地形线之间再进行三次样条函数插值，实现水下模型地形的可视化测量与三维重建。
[0008]所述步骤2包括以下内容:
[0009]步骤2.1、根据突变过程及其灰度和梯度，确定跟踪起点0(1。，J0)；
[0010]步骤2.2、结合亮带的水平方向的连续性，向左向右连续跟踪提取地形边界线；
[0011]步骤2.3、地形线进行小波去噪平滑处理。
[0012]所述步骤2.1中，确定跟踪起点0(1。，J0)采用公式⑴实现:
【权利要求】
1.一种浑水中模型地形的可视化测量与三维重建方法，其特征在于:利用基于水槽、B超仪、三维行走平台、计算机的水下地形成像与处理系统，进行基于B超图像的自适应水下地形的快速提取以及基于地形线的水下地形可视化测量与三维重建；具体包括以下步骤: 步骤1、B超仪的探头与水槽内的水面接触并进行成像获得水下地形的视频图像；计算机控制三维行走平台带动B超探头在水槽上的进行上下、左右、前后三维方向上的运动； 步骤2、B超仪对水下地形的成像存在一个突变过程，形成一条水平方向连续延伸的地形亮带，采用灰度幅值与梯度之和作为地形边界处的判断依据，再根据地形在水平方向的连续性，进行连续跟踪搜索，依次提取出水下地形边界线，一次性实现单像素地形线的自适应跟踪与快速提取； 步骤3、标定单个像素点所代表的实际距离，并把水下地形线转化为真实坐标距离；多条地形线之间再进行三次样条函数插值，获取三维地形数据，实现水下模型地形的可视化测量与三维重建。
2.根据权利要求1所述的浑水中模型地形的可视化测量与三维重建方法，其特征在于:所述步骤2包括以下内容: 步骤2.1、根据突变过程及其灰度和梯度，确定跟踪起点0(1。，J0)； 步骤2.2、结合亮带的水平方向的连续性，向左向右连续跟踪提取地形边界线； 步骤2.3、地形线进行小波去噪平滑处理。
3.根据权利要求1所述的一种浑水中模型地形的可视化测量与三维重建方法，其特征在于:所述步骤2.1中，确定跟踪起点0(1。，J0)采用公式(I)实现:
4.根据权利要求1所述的一种浑水中模型地形的可视化测量与三维重建方法，其特征在于:所述步骤2.2中，向左向右连续跟踪提取边界点采用公式(2)、公式(3)和公式(4)实现:
5.根据权利要求1所述的一种浑水中模型地形的可视化测量与三维重建方法，其特征在于:所述步骤3中，三维地形数 据的获取采用分段扫描和连续扫描两种扫描方式中的一种。
【文档编号】G06T17/00GK104008572SQ201410270306
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月17日 优先权日:2014年6月17日
【发明者】邹先坚, 马志敏, 宋欢, 杜剑锋, 胡文斌 申请人:武汉大学