双目立体视觉的水下应用

李佳宽　于洪志

摘 要：从图像预处理、相机标定、立体匹配三个方面论述了双目视觉在水下场景的应用，比较了与空气环境中应用的不同，对水下双目视觉发展趋势做了分析。

关键词：水下双目视觉；相机标定；立体匹配

中图分类号：TP391 文献标志码：A 文章编号：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

双目立体视觉技术利用视差理论恢复像素的深度信息和三维坐标，通过获取左右两个视角下同时采集的两幅图像恢复三维场景信息，还原真实的三维世界，为导航提供目标的位置信息描述，是被动式视觉测量技术的一种。作为计算机视觉的一个重要分支，双目立体视觉技术模型简洁，运算高效，有着广阔的应用前景。而随着海洋科学技术的发展和人类对海洋资源探索的逐渐深入，双目视觉技术逐渐被应用到海洋探测，在对水下目标的监控、海底地形测绘、海流测量、水下军事设施的探测和侦查等方面都有着广泛的应用。

双目立体视觉系统模拟人眼，通过三角测量原理来获取图像的视差，进而得到目标三维信息，一般由以下几个功能模块组成：图像采集，相机标定，立体匹配，三维重建。常规的双目视觉大多是在单一介质的空气中，而由于水下环境的特殊性，往往存在光的散射，吸收效应等不利因素的干扰，相关技术方法也应随环境作适应性调整。本文从图像处理，相机标定，立体匹配这三个方面在水下场景的应用做了论述，阐明了与单一空气介质环境中的不同，并对水下双目立体视觉技术的发展做了展望。

1 成像模型

双目立体视觉用到的模型一般是线性的针孔模型，该模型是双目立体视觉中成像的基本模型，将相机理想化，并把空间点投影视为中心，投影未考虑镜头畸变和环境等其他因素，所以也叫线性摄像机模型。而水下成像模型则是考虑到折射的影响，对此做相应补偿和修正。

在双目立体视觉系统中，为了研究空间点和像点的投影关系，通常会用到4个坐标系：世界坐标系OW-XWYWXW、相机坐标系O-xyz、图像物理坐标系O-XY和图像像素坐标系Of-uv。

M1为相机内参，由ax、ay、uo、vo四个与相机内部参数相关的变量决定；M2为相机外参，由旋转矩阵R和平移矩阵T决定。

2 图像预处理

不同于常规图像，由于水下存在光的折射、散射、吸收效应，以及存在各种悬浮物，水下图像通常噪声大、照度低，颜色失真，不符合双目立体视觉系统所需图像的质量要求。在进行标定和匹配前，要对水下图像做预处理，减少这些不利影响，使之成为清晰的图像。水下图像预处理通常有两个方面：图像增强和图像复原。

2.1 图像增强

图像增强技术主要包括空域增强和频域增强。空域增强以图像灰度为基础，直接对图像像素进行处理，包括直方图均衡化，平滑滤波等；频域增强是在频域处理图像的不同频率分量，借助滤波器，清除不需要的频率，获得增强效果。例如平滑滤波能消除高频分量，有效抑制高斯噪声和椒盐噪声，其在时域的表达式为：

2.2 图像复原

图像复原的关键是要有图像退化大的先验知识，在确定水下图像的降质原因后，建立“降质模型”通过逆滤波还原图像。一般降质原因有两种：一是水体的吸收与散射等光线传播过程的影响；二是水体本身的背景噪声等影响。

3 相机标定

双目立体视觉是通过摄像机模型来进行测量的，而标定就是要获取模型的基本参数，其中摄像机自身参数称为内参数，包括摄像机焦距、主点坐标、畸变系数等，摄像机坐标系与世界坐标系间的转换关系称为外参数，包括旋转矩阵和平移矩阵。在水下成像过程中，由于成像介质的多样性，成像光线会发生折射，基本标定方法不能完整的标定出所需参数，为有效的处理水下成像时的折射问题，准确还原水下成像过程，在水下成像物理模型的基础上，提出了各种标定方法，如基于粒子群优化的水下折射标定法。

4 立体匹配

其本質就是在左右图像中寻找同一目标对应的不同像素点，匹配之后获得视差图，再进行三维重建。由于水下环境特殊，诸如极线约束等许多算法的基本条件在水下不成立，且水下成像存在散射，噪声等一系列严重影响图像质量的效应，导致现有许多性能良好且成熟的算法无法应用到水下。目前主要有两种思路解决水下立体匹配存在的问题：一是采用折射模型，直接求解；二是寻求水下图像与一般空气图像一一对应的比例关系，将水下图像间接转换为空气中图像求解。图2就是常用的水面折射模型，假设两摄像机的光心为Oc、O'c，基线距离为a，摄像机焦距为f，折射面与目标所在平面距离为d，在空气和水中的折射率分别为n1、n2，n=n2/n1。以左摄像机光心为原点建立坐标系。

5 结束语

双目视觉目标定位是近年来较热门的一个课题，对于水下近距离，高精度的测量，双目视觉定位技术可以发挥声纳探测所不具备的优势。本文论述了双目立体视觉应用在水下的若干关键技术。得出：相对于空气中的视觉定位，水下双目视觉需要克服环境上的不利因素，对模型和算法提出了更高要求，对于水下环境光较弱，衰减迅速问题的解决和对成像模型以及算法的优化是水下双目视觉定位研究的发展方向。

参考文献：

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[2]张广军.机器视觉研究与发展[M].科学出版社，2012.

[3]马莉.基于双目视觉三维重建技术研究[D].太原：中北大学，2012：22-30.