CN107063117A - 基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***和方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器视觉三维测量技术领域，涉及一种基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***和方法。***包括激光器、双面反射振镜、第一反射镜、第二反射镜、摆镜、被测物体、光场相机，光场相机由主透镜、微透镜阵列和图像传感器组成。该***结合光场成像技术，利用光场传感器记录激光同步扫描三角测距成像***中包含目标反射光和各种散射光的物方场景所有光场信息，利用重聚焦断层扫描算法，获得物方场景不同深度的重聚焦切片图像，再利用远极点重聚焦图像确定目标反射激光光斑图像的精确位置，从而提高了水下激光同步扫描三角测距成像***的三维面型测量精度和成像质量。

Description

基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***和方法

技术领域

本发明属于机器视觉三维测量技术领域，具体涉及一种基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***和方法。

背景技术

海底资源勘探、海洋开发、水下探测、水下反恐等领域，需要一种测量范围大，分辨率高的三维视觉测量***。现有的三维视觉测量技术主要有光点扫描三角测距法、位相轮廓测量法、莫尔法及傅立叶变换法等。其中光点扫描三角测量法分辨率较高，激光成点状投射到被测物体表面所需功率要求低，利用简单的三角关系可计算得到距离值，并通过二维扫描可获得被测物体的三维面型，但存在的问题是***的横向扫描测量范围和纵向测距范围相互制约。对此，M.Rioux等人提出激光同步扫描三角测距成像的思想，解决了横向扫描测量范围和纵向测距范围相互制约问题。所谓同步扫描是在光路设计上使接收光路与扫描光路共用一扫描器，使得接收光路与发射光路同步。

将激光同步扫描三角测距成像***应用在水下，由于水介质对光存在严重的吸收和散射作用，导致光在水中传输时的能量按指数规律迅速衰减，且图像清晰度降低。尽管可以通过增加照明光功率的方法来扩展水下成像距离，但这也会给水下图像带来背景灰度不均和图像质量变差的问题。传统方法从水体的蓝绿光的光学窗口方面入手提高成像距离，在抑制后向散射方面主要采用距离选通以及偏振技术等手段。虽然这些传统方法都一定程度的效果，但是水环境是复杂而多变的，传统方法在解决水介质吸收和散射导致的成像质量变差方面的效果有限，使激光同步扫描三角测距成像技术在水下的应用受到了很大限制。

对成像***而言，光是载体，携带了物方场景的所有信息，包括目标物体的反射光、发射光和反射光在传播路径上的后向散射光和前向散射光、其它各种杂光等，所有光线的总和构成物方场景光场。光场中的每条光线在介质中传播具有位置(x,y,z)、方向(θ,φ)、频率()、偏振态(p)、辐射强度(r)和时间(t)等多种属性，可用全光函数来描述。一般情况下，采用两个平行平面来描述光场，则可以用4个参数来表达，简称四维光场。对于激光同步扫描三角测距成像***来说，有效信息是被目标物体反射的激光光斑图像在图像传感器上的位置坐标，传统的图像记录传感器很难将激光光斑图像从包含各种光场信息的图像中提取出来。采用以光场传感器为核心的光场成像技术，是在光路中***微透镜阵列，将物方场景的光场信息通过微透镜阵列的空间复用方式记录下来。依据光场信息，可以实现物方场景的断层扫描重聚焦，也就是对物方场景任意位置处作聚焦处理，在该位置处获得清晰图像。基于这种特性，通过光场成像技术获取包含目标物体表面激光光斑的光场数据，通过光场重聚焦技术，能有效提取投射到物体表面反射后的激光光斑清晰图像，抑制物方场景其它位置的散射光和各种杂光。因此，结合光场成像技术，可提高水下探测成像质量，继而提高水下三角测距精度，是激光同步扫描三角测距成像***在水下应用研究的新方向。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***和方法，用于改善水下成像质量，提高水下激光同步扫描三角测距精度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***，包括激光器、双面反射振镜、第一反射镜、第二反射镜、摆镜、被测物体、光场相机；所述第一反射镜和第二反射镜关于双面反射振镜左右对称分布，所述激光器置于双面反射振镜的前方，所述光场相机置于双面反射振镜的后方，所述摆镜置于激光器的前方，被测物体的后方。

所述光场相机包括主透镜和空间复用光场传感器，所述空间复用光场传感器包括微透镜阵列和图像传感器；所述主透镜位于光场相机的前方，其后依次布置微透镜阵列和图像传感器。

一种基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像方法，使用上述的基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***，具体步骤如下：

1）同步扫描成像光路，具体为：激光器发出的激光，通过双面反射振镜、第一反射镜、摆镜的反射，投射到被测物体表面上某一点，并发生漫反射，部分反射光经过摆镜、第二反射镜、双面反射振镜，由光场相机的主透镜接收汇聚，再经微透镜阵列，最终到达图像传感器的光敏面上，成为一个光斑图像；

2）光场记录成像，具体为：微透镜阵列和图像传感器构成空间复用光场传感器，记录四维光场中每一条光线的位置和方向信息（u,v,s,t），其中微透镜阵列上的坐标（u,v）表示位置，图像传感器上的坐标（s,t）表示方向；

3）断层扫描图像重聚焦，具体为：图像传感器记录的图像包含四维光场信息，通过空域光场变换技术来实现对不同深度场景的断层扫描重聚焦，获得物方场景不同深度的重聚焦切片图像；

4）激光光斑图像的确定，具体为：空域光场变换参数与物体断层深度信息具有对应性，因此通过聚焦形貌恢复方法对场景不同深度重聚焦图片序列进行处理，获得场景在空域光场变换参数域下的断层深度信息，物体表面激光光斑图像就是断层深度信息中远极点深度层所对应的重聚焦图像，此远极点也就是激光光斑图像的位置坐标；

5）物体表面三维成像，具体为：从光场记录中提取被测物体上激光投射点的反射光斑图像位置值后，依据三角关系，计算得到被测物体上激光投射点的三维坐标值；双面反射振镜的连续振动和摆镜的连续摆动，在被测物体表面形成光栅扫描轨迹，通过获得每个点的三维坐标值，实现对整个被测物体表面的三维成像。

与现有技术相比，本发明具有以下技术优势：

本发明结合光场成像技术，利用光场传感器记录激光同步扫描三角测距成像***中包含目标反射光和各种散射光的物方场景所有光场信息，利用重聚焦断层扫描算法，获得物方场景不同深度的重聚焦切片图像，再利用远极点重聚焦图像确定目标反射激光光斑图像的精确位置，从而提高了水下激光同步扫描三角测距成像***的三维面型测量精度和成像质量。

附图说明

图1为基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***示意图。

图2为确定目标反射光斑位置的流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图1所示，一种基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***，包括激光器1、双面反射振镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、摆镜5、被测物体6、光场相机7；所述第一反射镜3和第二反射镜4关于双面反射振镜2左右对称分布，所述激光器1置于双面反射振镜2的前方，所述光场相机7置于双面反射振镜2的后方，所述摆镜5置于激光器1的前方，被测物体6的后方。

所述光场相机7包括主透镜8和空间复用光场传感器，所述空间复用光场传感器包括微透镜阵列9和图像传感器10；所述主透镜8位于光场相机7的前方，其后依次布置微透镜阵列9和图像传感器10。

如图2所示，一种基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像方法，使用上述的基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***，具体步骤如下：

1）同步扫描成像光路，具体为：激光器1发出波长为450nm的蓝色激光，通过双面反射振镜2、第一反射镜3、摆镜5的反射，投射到被测物体6表面上某一点，并发生漫反射，部分反射光经过摆镜5、第二反射镜4、双面反射振镜2，由光场相机7的主透镜8接收汇聚，再经微透镜阵列9，最终到达图像传感器10的光敏面上，成为一个光斑图像；

2）光场记录成像，具体为：微透镜阵列9和图像传感器10构成空间复用光场传感器，记录四维光场中每一条光线的位置和方向信息（u,v,s,t），其中微透镜阵列9上的坐标（u,v）表示位置，图像传感器10上的坐标（s,t）表示方向；

3）断层扫描图像重聚焦，具体为：图像传感器10记录的图像包含四维光场信息，通过空域光场变换技术来实现对不同深度场景的断层扫描重聚焦，获得物方场景不同深度的重聚焦切片图像；

4）激光光斑图像的确定，具体为：空域光场变换参数与物体断层深度信息具有对应性，因此通过聚焦形貌恢复方法对场景不同深度重聚焦图片序列进行处理，获得场景在空域光场变换参数域下的断层深度信息，物体表面激光光斑图像就是断层深度信息中远极点深度层所对应的重聚焦图像，此远极点也就是激光光斑图像的位置坐标；

5）物体表面三维成像，具体为：从光场记录中提取被测物体6上激光投射点的反射光斑图像位置值后，依据三角关系，计算得到被测物体6上激光投射点的三维坐标值；双面反射振镜2的连续振动和摆镜5的连续摆动，在被测物体6表面形成光栅扫描轨迹，通过获得每个点的三维坐标值，实现对整个被测物体6表面的三维成像。

综上所述，本发明基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***和方法，对记录光场采取断层扫描重聚焦，获得物方场景不同深度的重聚焦切片图像，再利用远极点重聚焦图像确定目标反射激光光斑图像的精确位置，提高了水下激光同步扫描三角测距成像***的三维面型测量精度和成像质量。

Claims (3)

1.一种基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***，其特征在于，包括激光器（1）、双面反射振镜（2）、第一反射镜（3）、第二反射镜（4）、摆镜（5）、被测物体（6）、光场相机（7）；所述第一反射镜（3）和第二反射镜（4）关于双面反射振镜（2）左右对称分布，所述激光器（1）置于双面反射振镜（2）的前方，所述光场相机（7）置于双面反射振镜（2）的后方，所述摆镜（5）置于激光器（1）的前方，被测物体（6）的后方。

2.根据权利要求1所述的基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***，其特征在于，所述光场相机（7）包括主透镜（8）和空间复用光场传感器，所述空间复用光场传感器包括微透镜阵列（9）和图像传感器（10）；所述主透镜（8）位于光场相机（7）的前方，其后依次布置微透镜阵列（9）和图像传感器（10）。

3.一种基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像方法，使用如权利要求1或2所述的基于光场成像的水下激光同步扫描三角测距成像***，其特征在于，具体步骤如下：

1）同步扫描成像光路，具体为：激光器（1）发出的激光，通过双面反射振镜（2）、第一反射镜（3）、摆镜（5）的反射，投射到被测物体（6）表面上某一点，并发生漫反射，部分反射光经过摆镜（5）、第二反射镜（4）、双面反射振镜（2），由光场相机（7）的主透镜（8）接收汇聚，再经微透镜阵列（9），最终到达图像传感器（10）的光敏面上，成为一个光斑图像；

2）光场记录成像，具体为：微透镜阵列（9）和图像传感器（10）构成空间复用光场传感器，记录四维光场中每一条光线的位置和方向信息（u,v,s,t），其中微透镜阵列（9）上的坐标（u,v）表示位置，图像传感器（10）上的坐标（s,t）表示方向；

3）断层扫描图像重聚焦，具体为：图像传感器（10）记录的图像包含四维光场信息，通过空域光场变换技术来实现对不同深度场景的断层扫描重聚焦，获得物方场景不同深度的重聚焦切片图像；

4）激光光斑图像的确定，具体为：空域光场变换参数与物体断层深度信息具有对应性，因此通过聚焦形貌恢复方法对场景不同深度重聚焦图片序列进行处理，获得场景在空域光场变换参数域下的断层深度信息，物体表面激光光斑图像就是断层深度信息中远极点深度层所对应的重聚焦图像，此远极点也就是激光光斑图像的位置坐标；

5）物体表面三维成像，具体为：从光场记录中提取被测物体（6）上激光投射点的反射光斑图像位置值后，依据三角关系，计算得到被测物体（6）上激光投射点的三维坐标值；双面反射振镜（2）的连续振动和摆镜（5）的连续摆动，在被测物体（6）表面形成光栅扫描轨迹，通过获得每个点的三维坐标值，实现对整个被测物体（6）表面的三维成像。