一种变景深的水下物体的位置补偿系统及方法

技术领域

本发明涉及单像素三维成像技术领域，具体涉及一种变景深的水下物体的位置补偿系统及方法。

背景技术

传统的双目视觉三维测量是采用三角测量的原理，通过不同坐标系之间的转换获得物体的深度，但是双目视觉的两个相机类似与人眼，在不同的介质间测量的时候，就会由于光经过不同的折射率的物质的时候光路会发生偏移，会导致误差的产生，不能精确的获得物体的实际位置。特别在水下，例如潜艇内需要对前方物体测量的时候，有可能相机并不是直接与水接触，可能中间有空气和玻璃阻隔，所以存在这种由于折射率不同产生的误差。

现有采用三角测量的原理的双目视觉三维测量存在由于两介质的折射率不同会产生测量误差，不能够精确的获得物体位置。现有的水下双目视觉测量需要额外的光源，才能够进行测量。

发明内容

本发明提出的一种变景深的水下物体的位置补偿系统，可至少解决上述技术问题之一。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种变景深的水下物体的位置补偿系统，包括分光镜、滤波片和平面镜，还包括投影仪投影照明图案，照明图案通过一个45度放置的分光镜，分成左右两个光路；

右光路是透过分光镜后，经过蓝色滤波片一到达物体表面，反射的光强透过蓝色滤波片二，被光电探测器一收集；

左光路经过分光镜反反射后透过黄色滤波片一，再经过平面镜的反射到达一个与投影仪平行放置的长方体的电致变折射率物质正面，在电致变折射率物质中发生折射后到达物体的表面，反射的光强透过黄色滤波片二，被光电探测器二所收集；

所述系统在获取不同折射率中物体的位置时，通过公式的变换，可以将物体的虚拟位置信息转化为实际的位置，并通过电致变折射率物质多次改变折射率，通过补偿获取物体准确的位置信息。

进一步的，所述系统使用宽光谱光源照明，并通过滤光片分光，同步照射在物体，然后通过不同的光电探测器同时采集并恢复图像。

另一方面，本发明还公开一种变景深的水下物体的位置补偿方法，采用上述的变景深的水下物体的位置补偿系统，包括通过投影仪前面分光结构的搭建，用一个投影仪来实现两个虚拟的不同视角进行同步投射的投影仪，配合两种不同波段的滤波片和两个PD，实现等效的两个同步采集的不同视角的虚拟相机；

具体包括以下步骤，

首先对整个系统进行双目标定；

通过这个系统同步获取左右视角的立体标定板的二维图像，对其进行标定，后续获得双目标定的结果；

再同步获取左右视角物体的二维图像，运用标定结果对图像进行校正、立体匹配，最后完成物体的三维重建，获取物体的虚拟位置，并推导出实际位置。

进一步的，所述完成物体的三维重建，获取物体的虚拟位置，具体包括：

设平面Ⅱ

基于几何考虑和折射定律，P和P

其中：

由此求解出物体实际的位置坐标，再通过给电致变折射率物质中加电压来改变折射率，从而继续获得物体的虚拟位置。

进一步的，推导出实际位置步骤如下：

设经过n次改变折射率，n次获得实际位置为P

获取精度最佳物体的实际位置P′(X′,Y′,Z′)。

由上述技术方案可知，本发明的变景深的水下物体的位置补偿系统，通过变景深多次测量，对水下物体的三维位置进行补偿，从而获得水下物体的精确位置，消除了折射率引起的误差。

本发明通过光路的设计给电致变折射率物质加电压，改变其折射率，从而改变左光路的光程，达到变景深的效果。并将双目视觉运用于单像素三维成像，获得物体在水下的虚拟位置，并通过公式转换为物体的实际位置。通过变景深多次获得水下物体的实际位置，取平均值进行补偿，消除折射率引起的误差，获取水中物体最精确的实际位置。

本发明可以通过变景深对水下物体的实际位置进行补偿，消除折射率引起的误差，获取物体精确的实际位置；本发明在不使用额外光源的情况下，对水下物体进行三维测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明实施例的透过长方体电致变折射率物质的光路图；

图3是光线进入不同介质的折射示意图；

1、投影仪，2、可调直流稳压电源，3、分光镜，4、黄色滤波片一，5、平面镜，6、蓝色滤波片一，7、电致变折射率物质，8、光电探测器一，9、蓝色滤波片二，10、光电探测器二，11、黄色滤波片二，12、物体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示为整个系统的装置图，该装置通过分光镜3、滤波片和平面镜5的使用，可以看成是两个独立的单像素成像系统，由于使用两对波长范围互不重叠的滤波片，所以这两个系统之间的互不干扰，并且可以同步恢复物体的二维图像。所述系统在获取不同折射率中物体的位置时，通过公式的变换，可以将物体的虚拟位置信息转化为实际的位置，并通过电致变折射率物质多次改变折射率，通过补偿获取物体准确的位置信息。

所述系统使用宽光谱光源照明，并通过滤光片分光，同步照射在物体，然后通过不同的光电探测器同时采集并恢复图像。

所述系统通过投影仪前面分光结构的搭建，用一个投影仪来实现两个虚拟的不同视角进行同步投射的投影仪，配合两种不同波段的滤波片和两个PD，实现等效的两个同步采集的不同视角的虚拟相机。

以下具体说明：

投影仪投影照明图案，该照明图案是事先设定好的编码图案，可以是基于傅里叶基底生成，也可以基于哈达玛基底或者随机生成。照明图案通过一个45度放置的分光镜，分成左右两个光路。右光路是透过分光镜后，经过蓝色滤波片一6到达物体表面，反射的光强透过蓝色滤波片二9，被光电探测器一8收集；左光路经过分光镜3反射后透过黄色滤波片一4，再经过平面镜5的反射到达一个与投影仪1平行放置的长方体的电致变折射率物质正面，在电致变折射率物质中发生折射后到达物体的表面，反射的光强透过黄色滤波片二11，被光电探测器二1所收集。

首先对整个系统进行双目标定。通过这个系统同步获取左右视角的立体标定板的二维图像，对其进行标定，后续获得双目标定的结果。再同步获取左右视角物体的二维图像，运用标定结果对图像进行校正、立体匹配，最后完成物体的三维重建，获取物体12的虚拟位置。

如图2所示入射角为α，折射角为β，电致变折射率物质的厚度为L，经过电致变折射率物质后，入射光线与出射光线相互平行，实际位置与虚拟位置的偏移为L

L

根据折射定律可知入射角和折射角的正弦之比为一常数，即：

由于整个装置是在空气中，待测物体在水中，所以此时会由于折射率的不同会产生误差。如图3所示，平面Ⅱ

其中：

由此可以求解出物体实际的位置坐标，再通过给电致变折射率物质中加电压来改变折射率，从而继续获得物体的虚拟位置，并推导出实际位置。经过n次改变折射率，n次获得实际位置为P

获取精度最佳物体的实际位置P′(X′,Y′,Z′)。

其中，本发明实施例的分光镜和滤波片的组合可以使用二向色镜替代；电致变折射率物质也可以去除，通过旋转平面镜或者分光镜达到变景深的效果；光电探测器可以使用光电池，光电二极管等对光强信息能够线性响应的光电器件代替；对目标图像使用投影图案进行编码时可以基于傅里叶变化，也可以基于余弦变换，哈达玛变换，拉东变换等。

综上所述，本发明通过光路的设计给电致变折射率物质加电压，改变其折射率，从而改变左光路的光程，达到变景深的效果。并将双目视觉运用于单像素三维成像，获得物体在水下的虚拟位置，并通过公式转换为物体的实际位置。通过变景深多次获得水下物体的实际位置，取平均值进行补偿，消除折射率引起的误差，获取水中物体最精确的实际位置。

本发明可以通过变景深对水下物体的实际位置进行补偿，消除折射率引起的误差，获取物体精确的实际位置；本发明在不使用额外光源的情况下，对水下物体进行三维测量。

又一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。

再一方面，本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。

在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一方法的步骤。

可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。