雙目立體視覺的水下應用

李佳寬　于洪志

摘 要：從圖像預處理、相機標定、立體匹配三個方面論述了雙目視覺在水下場景的應用，比較了與空氣環境中應用的不同，對水下雙目視覺發展趨勢做了分析。

關鍵詞：水下雙目視覺；相機標定；立體匹配

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0031-02

Abstract： This paper discusses the application of binocular vision in underwater scene from three aspects of image preprocessing， camera calibration and stereo matching， compares the application of binocular vision with that in air environment， and analyzes the development trend of underwater binocular vision.

Keywords： underwater binocular vision； camera calibration； stereo matching

引言

雙目立體視覺技術利用視差理論恢復像素的深度信息和三維坐標，通過獲取左右兩個視角下同時采集的兩幅圖像恢復三維場景信息，還原真實的三維世界，為導航提供目標的位置信息描述，是被動式視覺測量技術的一種。作為計算機視覺的一個重要分支，雙目立體視覺技術模型簡潔，運算高效，有著廣闊的應用前景。而隨著海洋科學技術的發展和人類對海洋資源探索的逐漸深入，雙目視覺技術逐漸被應用到海洋探測，在對水下目標的監控、海底地形測繪、海流測量、水下軍事設施的探測和偵查等方面都有著廣泛的應用。

雙目立體視覺系統模擬人眼，通過三角測量原理來獲取圖像的視差，進而得到目標三維信息，一般由以下幾個功能模塊組成：圖像采集，相機標定，立體匹配，三維重建。常規的雙目視覺大多是在單一介質的空氣中，而由于水下環境的特殊性，往往存在光的散射，吸收效應等不利因素的干擾，相關技術方法也應隨環境作適應性調整。本文從圖像處理，相機標定，立體匹配這三個方面在水下場景的應用做了論述，闡明了與單一空氣介質環境中的不同，并對水下雙目立體視覺技術的發展做了展望。

1 成像模型

雙目立體視覺用到的模型一般是線性的針孔模型，該模型是雙目立體視覺中成像的基本模型，將相機理想化，并把空間點投影視為中心，投影未考慮鏡頭畸變和環境等其他因素，所以也叫線性攝像機模型。而水下成像模型則是考慮到折射的影響，對此做相應補償和修正。

在雙目立體視覺系統中，為了研究空間點和像點的投影關系，通常會用到4個坐標系：世界坐標系OW-XWYWXW、相機坐標系O-xyz、圖像物理坐標系O-XY和圖像像素坐標系Of-uv。

M1為相機內參，由ax、ay、uo、vo四個與相機內部參數相關的變量決定；M2為相機外參，由旋轉矩陣R和平移矩陣T決定。

2 圖像預處理

不同于常規圖像，由于水下存在光的折射、散射、吸收效應，以及存在各種懸浮物，水下圖像通常噪聲大、照度低，顏色失真，不符合雙目立體視覺系統所需圖像的質量要求。在進行標定和匹配前，要對水下圖像做預處理，減少這些不利影響，使之成為清晰的圖像。水下圖像預處理通常有兩個方面：圖像增強和圖像復原。

2.1 圖像增強

圖像增強技術主要包括空域增強和頻域增強。空域增強以圖像灰度為基礎，直接對圖像像素進行處理，包括直方圖均衡化，平滑濾波等；頻域增強是在頻域處理圖像的不同頻率分量，借助濾波器，清除不需要的頻率，獲得增強效果。例如平滑濾波能消除高頻分量，有效抑制高斯噪聲和椒鹽噪聲，其在時域的表達式為：

2.2 圖像復原

圖像復原的關鍵是要有圖像退化大的先驗知識，在確定水下圖像的降質原因后，建立“降質模型”通過逆濾波還原圖像。一般降質原因有兩種：一是水體的吸收與散射等光線傳播過程的影響；二是水體本身的背景噪聲等影響。

3 相機標定

雙目立體視覺是通過攝像機模型來進行測量的，而標定就是要獲取模型的基本參數，其中攝像機自身參數稱為內參數，包括攝像機焦距、主點坐標、畸變系數等，攝像機坐標系與世界坐標系間的轉換關系稱為外參數，包括旋轉矩陣和平移矩陣。在水下成像過程中，由于成像介質的多樣性，成像光線會發生折射，基本標定方法不能完整的標定出所需參數，為有效的處理水下成像時的折射問題，準確還原水下成像過程，在水下成像物理模型的基礎上，提出了各種標定方法，如基于粒子群優化的水下折射標定法。

4 立體匹配

其本質就是在左右圖像中尋找同一目標對應的不同像素點，匹配之后獲得視差圖，再進行三維重建。由于水下環境特殊，諸如極線約束等許多算法的基本條件在水下不成立，且水下成像存在散射，噪聲等一系列嚴重影響圖像質量的效應，導致現有許多性能良好且成熟的算法無法應用到水下。目前主要有兩種思路解決水下立體匹配存在的問題：一是采用折射模型，直接求解；二是尋求水下圖像與一般空氣圖像一一對應的比例關系，將水下圖像間接轉換為空氣中圖像求解。圖2就是常用的水面折射模型，假設兩攝像機的光心為Oc、O'c，基線距離為a，攝像機焦距為f，折射面與目標所在平面距離為d，在空氣和水中的折射率分別為n1、n2，n=n2/n1。以左攝像機光心為原點建立坐標系。

5 結束語

雙目視覺目標定位是近年來較熱門的一個課題，對于水下近距離，高精度的測量，雙目視覺定位技術可以發揮聲納探測所不具備的優勢。本文論述了雙目立體視覺應用在水下的若干關鍵技術。得出：相對于空氣中的視覺定位，水下雙目視覺需要克服環境上的不利因素，對模型和算法提出了更高要求，對于水下環境光較弱，衰減迅速問題的解決和對成像模型以及算法的優化是水下雙目視覺定位研究的發展方向。

參考文獻：

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