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面向水下船舶污底检测的3D结构光视觉技术研究

面向水下船舶污底检测的3D结构光视觉技术研究

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作者：俞敏萱北京化工大学

学位级别：硕士

船舶长时间在水中航行,船体水线以下部分会附着大量海洋生物,形成船舶污底。船舶污底会增加船舶重量,导致船舶航速降低,极大地增加了船舶航行过程中的能耗。为解决该问题,定期对船舶底部污垢进行检测、评估以及清洗尤为重要。随着人工... 详细信息

船舶长时间在水中航行,船体水线以下部分会附着大量海洋生物,形成船舶污底。船舶污底会增加船舶重量,导致船舶航速降低,极大地增加了船舶航行过程中的能耗。为解决该问题,定期对船舶底部污垢进行检测、评估以及清洗尤为重要。随着人工智能技术的深度发展,其在海洋工程领域的应用成为当下的研究热点。三维重建技术作为人工智能技术的重要分支,其能够为船舶污底清洗计划的科学制定以及清洗结果的量化提供有效方案。然而,目前的水下激光三维重建的专业设备成本高昂且均为通用场景设备,面向水下船舶底部的三维重建系统研究还不够成熟。因此,本研究设计了一款线结构光视觉三维重建系统用于水下船舶底部三维重建,并对系统进行标定和三维重建实现,主要工作内容包括以下几个部分:首先,进行水下相机标定研究。通过建立准确的水下折射模型,本研究最小化了光线折射模型和单视点模型间的差值,将光线折射模型等效为单视点模型。本研究基于张正友标定法对相机进行校准,获取相机的内部参数、外部参数以及畸变参数,并根据相机的径向畸变特性和畸变参数,对水下光条图像的特征点进行了快速畸变校正研究。其次,进行水下光平面标定研究。在对相机拍摄的靶标光条图像进行图像质量增强处理后,本研究使用Steger算法提取靶标图像的光条中心,获取靶标特征点的二维像素坐标。通过分析相机和世界坐标系下靶标的特征点及其对应像点间的距离和位置关系,本研究提出了一种基于立体靶标结构的特征点的新型约束关系,以此提高光平面的标定精度。根据三维重建系统的运动特点,对图像集中的两幅图像在世界坐标系的平移向量作差,从而实现世界坐标系下图像帧间位移向量标定。然后,进行三维点云生成和表面重建研究。根据相机标定和光平面标定的结果,本研究建立了光条中心像素点到世界坐标系下三维点间的模型,以此生成三维点云。随后本研究对点云进行滤波,以此提升点云质量,进而完成基于点云的表面重建工作,获取目标物体表面的连续性特征。最后,完成三维重建系统的标定方法和功能实现验证。本实验设计并搭建水下相机-线激光的硬件平台,并基于系统标定结果,对畸变校正、光条提取以及船底模型三维重建等功能进行实验验证。实验结果表明,本研究提出的结构光视觉系统各项功能表现良好,在X、Y方向上的相对误差均小于2%,Z方向上的相对误差也小于2.5%,能够满足船舶污底检测的基本需求。

关键词：船舶污底检测水下三维重建相机标定结构光平面标定

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