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水下结构光三维探测中的关键技术研究

刘鹏  
【摘要】:为了满足海洋资源开发、海洋科研及水下工程等领域对水下三维探测技术的要求,本文对水下结构光三维探测技术中的关键技术进行了研究。设计了水下结构光三维探测系统,并建立了相应的水下三维测量数学模型;采用了摄像机参数与系统参数分离的方法对探测系统进行标定;提出了有效的水下折射补偿方法,实现测量系统的陆上标定、水下应用;分析了水体浑浊对测量精度的影响,并简要提出了解决方法。 针对所设计的水下结构光三维探测系统,提出了新的水下三维测量数学模型构建方法,描绘了摄像机、激光平面、被测物体三者之间的几何关系;该模型还描绘了激光平面及被测物体反射光线的光路关系,更反映了光线折射对于激光平面与摄像机成像的影响。 采用了摄像机参数与系统参数分离的标定方法。摄像机采用的是非共面条件下的基于径向排列约束的标定方法,靶标是通过三坐标测量机构建的虚拟三维立体靶标;采用平面网格靶标标定测量系统中摄像机坐标系与振镜坐标系之间的平移转换关系,实现对整个系统的标定。 提出了结构光系统的水下折射补偿方法,克服了光线折射对测量结果的影响。对激光平面由于折射发生的偏转进行了修正,对被测物体反射光折射造成的摄像机像面成像点偏移进行了补偿,补偿后的数据可以在陆上标定所得参数的基础上参与运算,求取被测点在世界坐标系下的坐标,避免了水下标定的复杂操作。 分析了光线折射对于本系统测量视场的影响,并分别给出陆上测量与水下测量时的有效测量空间。分析了水体浑浊对水下三维测量的影响,提出了硬件方面提高激光器功率以增加测量距离,软件方面引进先进图像处理技术以提高测量精度的解决方法。 针对本课题的主要研究内容进行了一系列的实验。结构光系统标定实验表明所采用的标定方法操作方便、精度高;通过陆上三维测量实验证明了所建立的数学测量模型的科学性;通过水下三维测量实验证明了所提出的折射补偿方法的有效性;不同距离不同浊度条件下的测量实验表明,该测量系统测量精度高、抗干扰能力强、适用范围广。


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