一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统及方法

1.本发明涉及水下三维扫描领域，具体涉及一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统及方法。


背景技术：

2.水下三维扫描技术能够探测水下目标物体和水底地形的三维形貌，更直观地反应探测目标物体实际情况，在海洋探测等领域有着巨大的技术优势。现阶段水下三维扫描多围绕近岸或近底展开，而近岸或近底三维扫描的首要问题便是水体浑浊对三维扫描的影响。光在浑浊水体中传输时，会发生吸收与散射作用。吸收作用会导致光辐射能量降低，使目标物体与背景对比度降低；散射作用分为前向散射与后向散射，会导致图像模糊和目标物体与背景的对比度降低。浑浊使相机采集到的图像质量严重下降，最终导致目标物体三维扫描结果准确性与可靠性降低。
3.针对浑浊水体目标物体三维扫描场景，专利cn111292418a公开了一种浑浊水体三维地图构建方法，其提出了一种利用单目相机构建三维地图场景的方法，利用浑浊水体图像增强算法进行处理生成增强图像，再利用水下三维地图构建算法进行地图构建和更新，但是该方法受限于单目相机被动光学成像和图像增强算法，难以应对高浊度的场景，难以保证浑浊水体条件下的三维扫描稳定性；专利cn115468123a公开了一种海底管道变形缺陷精准测绘工装及方法，其提出了一种海底管道三维扫描和缺陷检测的装置和方法，其设置一个密封扫描舱，由潜水泵排出扫描舱中的海水后，再进行扫描舱内无水环境的三维扫描，但是该系统设备复杂、操作困难，硬件扫描设备稳定性要求高；专利cn112595236a提出了公开了一种水下激光三维扫描和实时测距的测量装置，其提出了一种水下激光三维扫描装置，改线激光扫描方法可以适用于较浑浊水域，但是相比于点激光其能量不够集中，浑水下穿透能力较弱。
4.而点结构光三维扫描成像系统受水体散射影响小，能量集中且激光穿透力强，不仅具备一定的浑浊水体适应性，还具有硬件设备要求简易与扫描精度高等优点。


技术实现要素：

5.本发明克服了现有技术中的不足，提出了一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统及方法。本发明利用点激光受水体散射影响小、能量集中且激光穿透力强的特点，采用双振镜实现点激光的空间扫描，再结合图像处理算法，实现水下目标物体三维扫描。
6.为实现上述技术功能，本发明采用如下技术方案：
7.一、一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统
8.包括：
9.水下点结构光发射单元，用于发射点激光，使得在目标物体表面形成光点，并且进行目标物体表面的二维扫描；
10.水下成像单元，用于采集目标物体表面覆盖所述光点的图像序列；
11.载体，用于控制在水下空间中对目标物体的二维扫描，并且获取实时惯导数据；
12.控制单元，用于接收所述图像序列和所述惯导数据，并且基于图像序列和所述惯导数据，计算得到目标物体表面的三维空间坐标；
13.支架，用于将所述水下点结构光发射单元、所述控制单元、所述水下成像单元连接并固定在所述载体中。
14.所述的水下点结构光发射单元包括水下点结构光发射单元密封舱、双振镜片、直角棱镜和点激光器；
15.双振镜片、直角棱镜和点激光器均安装在所述水下点结构光发射单元密封舱内，双振镜片和点激光器与控制单元连接，点激光器中出射的点激光经直角棱镜的反射后入射至双振镜片，经双振镜片的点激光从水下点结构光发射单元密封舱中出射并投射到目标物体上。
16.双振镜片由x方向振镜片和y方向振镜片组成，x方向振镜片和y方向振镜片垂直布置，x方向振镜片由x振镜电机驱动，y方向振镜片由y振镜电机驱动。
17.所述水下成像单元包括成像单元密封舱、成像镜头、液晶可调谐滤光片、微光相机、对焦控制电路和集线器；
18.成像镜头、液晶可调谐滤光片、微光相机、对焦控制电路和集线器均安装在所述成像单元密封舱内，所述成像镜头、液晶可调谐滤光片、微光相机依次布置在同一光轴上；成像镜头与对焦控制电路相连，液晶可调谐滤光片、微光相机、对焦控制电路均通过集线器与控制单元连接。
19.所述控制单元包括控制单元密封舱、微型工控机、存储模块和电源管理模块；
20.微型工控机、存储模块和电源管理模块均安装在所述控制单元密封舱内，微型工控机与存储模块和电源管理模块相连，所述微型工控机与水下点结构光发射单元、所述水下成像单元和载体相连。
21.二、一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描方法
22.方法采用所述的适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统，方法包括以下步骤：
23.s1：将适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统置于水下目标物体附近水域，载体的上位机向控制单元发送扫描指令；
24.s2：控制单元设定水下点结构光发射单元的扫描方式和扫描路径，由水下点结构光发射单元发射点激光以及进行空间扫描，实现结构光成像；
25.s3：水下成像单元进行水下图像拍摄并将图像数据传至控制单元，同时载体将系统的惯导数据传至控制单元；
26.s4：控制单元实时处理所述图像数据和惯导数据，具体是基于图像序列和所述惯导数据，计算得到目标物体表面的三维空间坐标并实时上传至载体的上位机；
27.s5：重复s2～s4，对目标物体进行全貌的扫描，得到目标物体表面三维信息。
28.所述s4具体为：
29.s41：控制单元获取水下成像单元拍摄的图像数据，结合激光光强随水体浊度与传播距离的变化特性对图像数据进行图像增强，然后提取增强后的图像数据中的激光点，再
根据激光三角测量原理和增强后的图像数据中的激光点，计算得到目标物体表面点与水下成像单元的相对坐标；
30.s42：控制单元获取载体中惯性导航系统记录的惯导数据，对惯导数据进行积分和协方差后再利用滤波降噪方法进行误差校正，获得校正后的惯导数据，最后由校正后的惯导数据解算获得惯性导航系统的位置和姿态信息；
31.s43：将图像数据和校正后的惯性数据进行对齐，并且以图像数据为基准，对校正后的惯性数据进行插值，得到插值后的惯导数据；
32.s44：根据目标物体表面点与水下成像单元的相对坐标和插值后的惯导数据，计算得到目标物体表面的三维空间坐标并实时上传至载体的上位机。
33.所述s41中，结合激光光强随水体浊度与传播距离的变化特性对图像数据进行图像增强，具体为：
34.首先，构建水下散射物理模型，基于水下散射物理模型对图像数据进行激光光强衰减校正和后向散射去除，获得增强后的图像数据。
35.相较于现有技术，本技术提供的技术方案具有以下有益效果：
36.本发明使用点结构光进行三维扫描，利用了点激光受水体散射影响小、能量集中且激光穿透力强的特点，受水体散射影响更小，在浑浊水体环境中的激光图像坐标更容易提取，且体积更小，功耗更低，单点能量更大；
37.本发明采用双振镜实现点激光的空间扫描，具有高速度、高精度、小体积的优点，适合水下安装布放和作业；
38.本发明的水下点结构光发射单元将激光器与水下点结构光发射单元密封舱平行放置，通过直角棱镜对光束进行偏转到振镜上，减小了装置的体积，从而降低了制造成本和难度且便于安装；
39.本发明的点结构光发射单元可以自定义激光点的扫描方式和扫描路径，以便实现局部区域的高精度扫描；
40.本发明采用结构光扫描技术可直接获取所摄目标物体对应三维空间信息，可得到高精度目标物体实际尺寸。
41.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
42.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
43.图1是根据本发明实施例示出的一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统的整体结构布置示意图。
44.图2是根据本发明实施例示出的水下点结构光发射单元结构示意图。
45.图3是根据本发明实施例示出的水下点结构光发射单元内部结构侧视示意图。
46.图4是根据本发明实施例示出的水下成像单元结构示意图。
47.图5是根据本发明实施例示出的控制单元结构示意图。
48.图6是根据本发明实施例示出的一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描方
法的流程图。
49.图7是根据本发明实施例示出的步骤s4的流程图。
50.图中：1.水下点结构光发射单元；2.控制单元；3.水下成像单元；4.载体；5.支架；6.水下点结构光发射单元密封舱；7.y方向振镜电机；8.x方向振镜电机；9.直角棱镜；10.点激光器；11.水下成像单元密封舱；12.成像镜头；13.液晶可调谐滤光片；14.微光相机；15.对焦控制电路；16.集线器；17.存储模块；18.微型工控机；19.电源管理模块；20.控制单元密封舱。
具体实施方式
51.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
52.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。
53.参见图1～5所示，本发明实施例所提供的一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统，其结构包括：
54.水下点结构光发射单元1，用于发射点激光，使得在目标物体表面形成光点，并且利用双振镜改变点激光位置进行目标物体表面的二维扫描；
55.水下成像单元3，用于采集目标物体表面覆盖光点的图像序列；
56.载体4，用于控制在水下空间中对目标物体的二维扫描，并且获取实时惯导数据；
57.控制单元2，用于接收图像序列和惯导数据，并且基于图像序列和惯导数据，计算得到目标物体表面的三维空间坐标；
58.支架5，用于将水下点结构光发射单元1、控制单元2、水下成像单元3连接并固定在载体4中。
59.水下点结构光发射单元1包括水下点结构光发射单元密封舱6、双振镜片、直角棱镜9和点激光器10；双振镜片、直角棱镜9和点激光器10均安装在水下点结构光发射单元密封舱内，点激光器与水下点结构光发射单元密封舱平行排布；由直角棱镜对点激光器发射的光束进行90
°
偏转打到振镜电机的振镜上。双振镜片和点激光器10与控制单元的微型工控机18连接，点激光器10中出射的点激光经直角棱镜9的反射后入射至双振镜片，经双振镜片的点激光从水下点结构光发射单元密封舱6的透明前端盖中出射并投射到目标物体上。
60.双振镜片由x方向振镜片和y方向振镜片组成，x方向振镜片和y方向振镜片垂直布置，x方向振镜片由x振镜电机8驱动，y方向振镜片由y振镜电机7驱动，x振镜电机8、y振镜电机7和控制单元的微型工控机18连接，微型工控机18对x振镜电机8、y振镜电机7的控制，从而实现点激光连续往复式扫描。
61.水下成像单元3包括成像单元密封舱11、成像镜头12、液晶可调谐滤光片13、微光相机14、对焦控制电路15和集线器16；成像镜头12、液晶可调谐滤光片13、微光相机14、对焦控制电路15和集线器16均安装在成像单元密封舱内，成像镜头12、液晶可调谐滤光片13、微
光相机14、依次布置在同一光轴上；成像镜头12与对焦控制电路15相连，对焦控制电路控制成像镜头进行对焦；液晶可调谐滤光片13、微光相机14、对焦控制电路15均通过集线器16与控制单元的微型工控机18连接。
62.控制单元2包括控制单元密封舱20、微型工控机18、存储模块17和电源管理模块19；微型工控机18、存储模块17和电源管理模块19均安装在控制单元密封舱内，微型工控机18与存储模块17和电源管理模块19相连，微型工控机与水下点结构光发射单元1、水下成像单元3和载体4相连，以接收图像序列和惯导数据，以及以控制点的扫描方式和扫描路径以及点激光的功率。电源管理模块19与载体4相连获得电力输入，并输出不同电压于水下点结构光发射单元1、水下成像单元3、微型工控机18和存储模块17。
63.载体4在水下进行移动并将惯导数据传输至控制单元2；水下点结构光发射单元、水下成像单元、控制单元分开安装于支架上或水下点结构光发射单元、水下成像单元、控制单元三者整体包含于一个密封舱安装在支架上；水下点结构光发射单元、水下成像单元、控制单元三者通过支架安装在载体上或水下点结构光发射单元、水下成像单元、控制单元三者直接分开搭载在载体上。
64.如图6和图7所示，方法包括以下步骤：
65.s1：将适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统置于水下目标物体附近水域，载体的上位机向控制单元发送扫描指令；
66.s2：控制单元设定水下点结构光发射单元的扫描方式和扫描路径，由水下点结构光发射单元发射点激光以及进行空间扫描，实现结构光成像；
67.s3：水下成像单元进行水下图像拍摄并将图像数据传至控制单元，同时载体将系统的惯导数据传至控制单元；
68.s4：控制单元实时处理图像数据和惯导数据，具体是基于图像序列和惯导数据，计算得到目标物体表面的三维空间坐标并实时上传至载体的上位机；
69.s5：重复s2～s4，对目标物体进行全貌的扫描，得到目标物体表面三维信息。
70.s4具体为：
71.s41：控制单元获取水下成像单元拍摄的图像数据(即图像或图像序列)，结合激光光强随水体浊度与传播距离的变化特性对图像数据进行图像增强，然后提取增强后的图像数据中的激光点，再根据激光三角测量原理和图像数据中的激光点，计算得到目标物体表面点与水下成像单元的相对坐标；
72.s41中，结合激光光强随水体浊度与传播距离的变化特性对图像数据进行图像增强，具体为：
73.首先，构建水下散射物理模型，用于描述激光光强随水体浊度和传播距离变化的特性，水下散射物理模型的参数是通过实验收集激光照射浑浊水体后的图像数据确定的，基于水下散射物理模型对图像数据进行激光光强衰减校正和后向散射去除，即去浑浊，以还原和增强图像的细节获得增强后的图像数据。
74.s42：控制单元获取载体中惯性导航系统记录的惯导数据，由于惯导数据可能存在噪声和累积误差，对惯导数据进行积分和协方差后再利用滤波降噪方法进行误差校正，获得校正后的惯导数据，最后由校正后的惯导数据解算获得惯性导航系统的位置和姿态信息；
75.s43：由于水下成像单元和惯性导航系统的数据采集频率有可能存在不同，因此需要将图像数据和校正后的惯性数据进行对齐，并且以图像数据为基准，对校正后的惯性数据进行插值，得到插值后的惯导数据；
76.s44：根据目标物体表面点与水下成像单元的相对坐标和插值后的惯导数据，计算得到目标物体表面的三维空间坐标并实时上传至载体的上位机，上位机则控制下一组点激光发射位置和发射功率，获得下一组目标物体表面的三维空间坐标。
77.当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。

技术特征：
1.一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统，其特征在于，包括：水下点结构光发射单元(1)，用于发射点激光，使得在目标物体表面形成光点，并且进行目标物体表面的二维扫描；水下成像单元(3)，用于采集目标物体表面覆盖所述光点的图像序列；载体(4)，用于控制在水下空间中对目标物体的二维扫描，并且获取实时惯导数据；控制单元(2)，用于接收所述图像序列和所述惯导数据，并且基于图像序列和所述惯导数据，计算得到目标物体表面的三维空间坐标；支架(5)，用于将所述水下点结构光发射单元(1)、所述控制单元(2)、所述水下成像单元(3)连接并固定在所述载体(4)中。2.根据权利要求1所述的一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统，其特征在于，所述的水下点结构光发射单元(1)包括水下点结构光发射单元密封舱(6)、双振镜片、直角棱镜(9)和点激光器(10)；双振镜片、直角棱镜(9)和点激光器(10)均安装在所述水下点结构光发射单元密封舱内，双振镜片和点激光器(10)与控制单元连接，点激光器(10)中出射的点激光经直角棱镜(9)的反射后入射至双振镜片，经双振镜片的点激光从水下点结构光发射单元密封舱(6)中出射并投射到目标物体上。3.根据权利要求2所述的一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统，其特征在于，双振镜片由x方向振镜片和y方向振镜片组成，x方向振镜片和y方向振镜片垂直布置，x方向振镜片由x振镜电机(8)驱动，y方向振镜片由y振镜电机(7)驱动。4.根据权利要求1所述的一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统，其特征在于，所述水下成像单元(3)包括成像单元密封舱(11)、成像镜头(12)、液晶可调谐滤光片(13)、微光相机(14)、对焦控制电路(15)和集线器(16)；成像镜头(12)、液晶可调谐滤光片(13)、微光相机(14)、对焦控制电路(15)和集线器(16)均安装在所述成像单元密封舱内，所述成像镜头(12)、液晶可调谐滤光片(13)、微光相机(14)依次布置在同一光轴上；成像镜头(12)与对焦控制电路(15)相连，液晶可调谐滤光片(13)、微光相机(14)、对焦控制电路(15)均通过集线器(16)与控制单元连接。5.根据权利要求1所述的一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统，其特征在于，所述控制单元(2)包括控制单元密封舱(20)、微型工控机(18)、存储模块(17)和电源管理模块(19)；微型工控机(18)、存储模块(17)和电源管理模块(19)均安装在所述控制单元密封舱内，微型工控机(18)与存储模块(17)和电源管理模块(19)相连，所述微型工控机与水下点结构光发射单元(1)、所述水下成像单元(3)和载体(4)相连。6.一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描方法，其特征在于，方法采用权利要求1-5任一所述的适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统，方法包括以下步骤：s1：将适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统置于水下目标物体附近水域，载体的上位机向控制单元发送扫描指令；s2：控制单元设定水下点结构光发射单元的扫描方式和扫描路径，由水下点结构光发射单元发射点激光以及进行空间扫描，实现结构光成像；s3：水下成像单元进行水下图像拍摄并将图像数据传至控制单元，同时载体将系统的
惯导数据传至控制单元；s4：控制单元实时处理所述图像数据和惯导数据，具体是基于图像序列和所述惯导数据，计算得到目标物体表面的三维空间坐标并实时上传至载体的上位机；s5：重复s2～s4，对目标物体进行全貌的扫描，得到目标物体表面三维信息。7.根据权利要求6所述的一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描方法，其特征在于，所述s4具体为：s41：控制单元获取水下成像单元拍摄的图像数据，结合激光光强随水体浊度与传播距离的变化特性对图像数据进行图像增强，然后提取增强后的图像数据中的激光点，再根据激光三角测量原理和增强后的图像数据中的激光点，计算得到目标物体表面点与水下成像单元的相对坐标；s42：控制单元获取载体中惯性导航系统记录的惯导数据，对惯导数据进行积分和协方差后再利用滤波降噪方法进行误差校正，获得校正后的惯导数据，最后由校正后的惯导数据解算获得惯性导航系统的位置和姿态信息；s43：将图像数据和校正后的惯性数据进行对齐，并且以图像数据为基准，对校正后的惯性数据进行插值，得到插值后的惯导数据；s44：根据目标物体表面点与水下成像单元的相对坐标和插值后的惯导数据，计算得到目标物体表面的三维空间坐标并实时上传至载体的上位机。8.根据权利要求7所述的一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描方法，其特征在于，所述s41中，结合激光光强随水体浊度与传播距离的变化特性对图像数据进行图像增强，具体为：首先，构建水下散射物理模型，基于水下散射物理模型对图像数据进行激光光强衰减校正和后向散射去除，获得增强后的图像数据。

技术总结
本发明公开了一种适用于浑浊水体的水下点结构光三维扫描系统及方法，用于水下目标物体的表面三维信息获取。由水下点结构光发射单元、水下成像单元、控制单元、支架及载体构成。由双振镜系统控制点激光的连续往返扫描，通过水下成像单元采集目标物体表面激光点的图像序列，由控制单元对图像进行处理提取图像中的激光点，基于激光三角测量原理并结合采集的惯导信息，计算目标物体表面的三维空间坐标，完成扫描范围内空间物体的轮廓提取。本发明的功率低，便于安装及布放，工艺性优良，经济性显著。由于点激光能量更集中在浑浊水体具有更强的穿透力，本发明适用于浑浊水体条件的三维扫描，具有十分重要的工程价值与现实意义。具有十分重要的工程价值与现实意义。具有十分重要的工程价值与现实意义。


技术研发人员：宋宏 李晓冰 汪孟杰 汪樵风 张泽君 翁俊康
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/8/13