魚眼鏡頭的水下雙目視覺定位系統(tǒng)研究.pdf

1、隨著計算機(jī)視覺技術(shù)不斷的發(fā)展，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用在海底探測、機(jī)器人定位、和三維重建方向。隨著陸地上的可用資源逐步減少，對海洋資源的開發(fā)和利用已經(jīng)被人類提上未來發(fā)展的日程。目前水下探測主流還是使用普通相機(jī)，但是普通相機(jī)獲取足夠量圖像信息時，需要較大的視距，由于海水懸浮有大量的雜質(zhì)，給圖像加入了大量的干擾（噪聲、模糊），后期去除這些干擾變得尤為困難。魚眼鏡頭是一種具有超大廣角的鏡頭，它的光學(xué)特性比較特殊，理論上擁有180°~270°的大視野，

2、在獲得相同信息量的情況下魚眼相機(jī)所需要的視距是普通相機(jī)的1/40，由此拍攝得到的圖片因?yàn)橐暰噍^小可以很大程度降低水下雜質(zhì)的干擾。本文就魚眼相機(jī)的成像過程、成像模型和在水下多介質(zhì)的成像模型做了主要研究，研究內(nèi)容如下：
　　首先，因?yàn)槟壳暗臄z像機(jī)設(shè)備均不適合在在水下進(jìn)行拍攝，進(jìn)入水中工作時必須使用密封玻璃罩等輔助設(shè)備，引入外部媒介的同時也引入了除水、空氣之外玻璃罩的折射，這使得傳統(tǒng)成像模型不再成立。本文以攝像機(jī)的基本成像為基礎(chǔ)，考慮攝

3、像機(jī)在空氣中成像和在水中成像的不同，建立水下理想平行光軸成像模型和水下自由光軸成像模型。
　　其次，由于引入了多種介質(zhì)，使得光線在進(jìn)入攝像機(jī)前已經(jīng)發(fā)生多次折射，這種光路的改變，讓傳統(tǒng)的攝像機(jī)標(biāo)定方法無法進(jìn)行攝像機(jī)內(nèi)外參數(shù)的求取。結(jié)合以上問題，本文將整個標(biāo)定過程拆分成兩部分：攝像機(jī)到玻璃罩內(nèi)側(cè)與玻璃罩到水中物體。攝像機(jī)到玻璃罩內(nèi)側(cè)可以等效為空氣中成像，采用張正友的棋盤格標(biāo)定定法求得攝像機(jī)的內(nèi)參和外參。然后利用水下自由光軸成像模型，取

4、水中已知世界坐標(biāo)系的參考點(diǎn)，通過水下成像模型求取其像點(diǎn)坐標(biāo)，通過比較實(shí)際中參考點(diǎn)的像點(diǎn)和模型求取的像點(diǎn)關(guān)系來建立評價函數(shù)，經(jīng)優(yōu)化函數(shù)優(yōu)化得到最終的標(biāo)定結(jié)果。
　　最后，研究魚眼鏡頭的水下雙目視覺定位系統(tǒng)。首先根據(jù)三角幾何學(xué)方法，利用三角函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而推導(dǎo)出折射平面上的入射點(diǎn)與成像點(diǎn)間的對應(yīng)公式；基于向量幾何學(xué)方法，利用四元數(shù)求解向量的折射，給出了空間點(diǎn)定位推導(dǎo)方法。魚眼鏡頭水下光學(xué)折射成像模型的建立，為水下環(huán)境探索、定位、測量提供