河流自然水体中三维视觉测量

许丽; 周永昊; 陆桂明; 周金峰; 张帆; 罗文宇

doi:10.37188/OPE.20212910.2465

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

河流自然水体中三维视觉测量

信息科学 | 更新时间：2026-09-12

- 河流自然水体中三维视觉测量
- River underwater 3D vision measurement method
- 光学精密工程 2021年29卷第10期页码：2465-2480
- 作者机构：
  
  1.华北水利水电大学物理与电子学院，河南郑州 450011
  2.中国移动通信集团公司，北京 100033
- 作者简介：
  
  许　丽（1978-），女，河南驻马店人，博士，教授，硕士生导师，2000年于哈尔滨工业大学获得学士学位，2006年于上海大学获得硕士学位，2009年于上海大学获得博士学位，主要从事光学测量、水下三维形貌测量、计算机视觉等方面的研究。E-mail： xuli@ncwu.edu.cn许　丽（1978-），女，河南驻马店人，博士，教授，硕士生导师，2000年于哈尔滨工业大学获得学士学位，2006年于上海大学获得硕士学位，2009年于上海大学获得博士学位，主要从事光学测量、水下三维形貌测量、计算机视觉等方面的研究。E-mail： xuli@ncwu.edu.cn
  陆桂明（1964-），男，广西南宁人，博士，教授，硕士生导师，1987年于华北水利水电大学获得学士学位，2006年于武汉水利水电大学获得硕士学位，2009年于河海大学获得博士学位，主要从事水利信息化，大数据处理等方面的研究。E-mail： lugm@ncwu.edu.cn陆桂明（1964-），男，广西南宁人，博士，教授，硕士生导师，1987年于华北水利水电大学获得学士学位，2006年于武汉水利水电大学获得硕士学位，2009年于河海大学获得博士学位，主要从事水利信息化，大数据处理等方面的研究。E-mail： lugm@ncwu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(51609086;U1804148);河南省科技攻关项目(182102210059)
- DOI：10.37188/OPE.20212910.2465
  中图分类号： TP394.1;TH691.9
- 收稿：2021-03-18，
  
  修回：2021-05-09，
  
  纸质出版：2021-10-15
- 稿件说明：
移动端阅览
许丽,周永昊,陆桂明等.河流自然水体中三维视觉测量[J].光学精密工程,2021,29(10):2465-2480.

XU Li,ZHOU Yong-hao,LU Gui-ming,et al.River underwater 3D vision measurement method[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(10):2465-2480.
许丽,周永昊,陆桂明等.河流自然水体中三维视觉测量[J].光学精密工程,2021,29(10):2465-2480. DOI： 10.37188/OPE.20212910.2465.

XU Li,ZHOU Yong-hao,LU Gui-ming,et al.River underwater 3D vision measurement method[J].Optics and Precision Engineering,2021,29(10):2465-2480. DOI： 10.37188/OPE.20212910.2465.

摘要

针对水体浑浊所造成水下图像退化和多介质引起的光线路径改变等问题，提出了基于径向多线结构光的水下视觉测量方法。首先，建立了基于折射的水下视觉测量模型，在投影仪垂直于折射平面投射且光平面经过投射光轴的条件下，陆上光平面和水下光平面共面，陆上标定可代替水下标定；采用蒙特卡洛模拟方法，分析了像点误差对点云计算精度的影响。其次，设计了黑白交错的中心旋转径向多线编码光模式；采用黑白条纹边缘作为测量点，减弱了编码光解码对图像质量的依赖性；通过中心旋转的方式，提高了表面的测量分辨率。最后，在1 m×1.2 m×0.8 m的水体中加入泥沙模拟自然河流水体环境，实验分析了浑浊水体对条纹提取、编码光解码和三维视觉测量精度的影响。实验结果表明，该方法在1 500 mm的测量距离上，对清水条件下的瓷瓶进行了不规则表面的三维表面测量；对清水、含有40，60和90 g泥沙的浑水中规则物体进行三维表面测量，获得了平面残差分别为0.95，1.93，5.43和21.43 mm的测量结果；当泥沙量超过某数值（如60 g）时，条纹提取精度急剧恶化，泥沙量为40和90 g的浑水中测量平面拟合残差从1.93 mm增加到21.43 mm。

Abstract

Aiming to remedy the degradation of underwater images owing to turbidity of mud and sand in the natural river water

and the change of light caused by underwater refraction

an underwater vision measurement method based on radial multi-line structured light is proposed in this study. First

an underwater visual measurement model based on refraction is constructed. When the projector axis is perpendicular to the refracted plane and the light-plane passes through the projected axis

landed light plane is coplanar with underwater ones

which can avoid the underwater calibration processes. The Monte Carlo simulation method is used to analyze the influence of the imaging point errors on the underwater 3D vision measurement model. Next

an interlaced central rotation radial multi-line light mode is designed. Black and white stripes are used as the projection modes to reduce the dependence on the image quality. Measurement stripes are increased

and measurement resolution is improved through central rotations. Finally

3D topography measurement experiments on the surface of underwater objects are made

in which the influence of turbid water on the edge extraction accuracy

coded light decoding

and 3D vision measurement are analyzed. In the experiment

sediments with different weights are added in a water volume of 1 m×1.2 m×0.8 m

which simulates the natural water environment. The experiment shows that at a measurement distance of 1500 mm

the surface of a bottle is measured in clean water

with a plane residual error of 0.95 mm; the plane residual errors are respectively 1.93 mm

5.43 mm

21.43 mm in muddy water with 40 g

60 g

90 g of sediment. When the amount of sediment exceeds a certain value (such as 60 g sediment in this experiment)

the accuracy of fringe extraction deteriorates sharply. The residual error of measurement plane fitting in muddy water with 40 g and 90 g of sediment increases from 1.93 mm to 21.43 mm.

关键词

Keywords

references

李维平，方忠旺 . 基于水域机器人的水下地形测量系统研究与应用［J］. 北京测绘， 2019 ， 33 （ 9 ）： 1098 - 1101 .

LI W P ， FANG ZH W . Research and application of underwater topographic surveying system based on water robot ［J］. Beijing Surveying and Mapping ， 2019 ， 33 （ 9 ）： 1098 - 1101 . （in Chinese）

陈齐 . 基于无人机航测及水下地形测量的水利工程高精度DEM构建研究［J］. 测绘与空间地理信息， 2020 ， 43 （ 1 ）： 205 - 208 . doi: 10.3969/j.issn.1672-5867.2020.01.058 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-5867.2020.01.058

CHEN Q . Construction of high-precision DEM for water conservancy project based on UAV aerial survey and underwater topographic survey ［J］. Geomatics & Spatial Information Technology ， 2020 ， 43 （ 1 ）： 205 - 208 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1672-5867.2020.01.058 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1672-5867.2020.01.058

王凤瑞 . 多波束测深系统在大浪淀水库水下地形测量中的应用［J］. 水利科技与经济， 2015 ， 21 （ 1 ）： 18 - 19 . doi: 10.3969/j.issn.1006-7175.2015.01.008 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1006-7175.2015.01.008

WANG F R . Application of multi-beam sounding System in Da Lang Dian reservoir underwater topographic survey ［J］. Water Conservancy Science and Technology and Economy ， 2015 ， 21 （ 1 ）： 18 - 19 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1006-7175.2015.01.008 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1006-7175.2015.01.008

马坤，王平，王俊雷，等 . 多波束测深技术在黄河床面形态观测中的应用［J］. 人民黄河， 2018 ， 40 （ 2 ）： 18 - 20， 41 . doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.004 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.004

MA K ， WANG P ， WANG J L ， et al . Application of multi-beam sounding technology in the observation of Yellow River bed morphology ［J］. Yellow River ， 2018 ， 40 （ 2 ）： 18 - 20， 41 . （in Chinese） . doi: 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.004 http://dx.doi.org/10.3969/j.issn.1000-1379.2018.02.004

万至达，张学武，盛金保，等 . 水下结构物表面缺陷的仿生双目视觉测量［J］. 水利水运工程学报， 2019 （ 2 ）： 71 - 78 . doi: 10.12170/201902010 http://dx.doi.org/10.12170/201902010

WAN ZH D ， ZHANG X W ， SHENG J B ， et al . Bionic binocular vision measurement of surface defects of underwater structures ［J］. Hydro-Science and Engineering ， 2019 （ 2 ）： 71 - 78 . （in Chinese） . doi: 10.12170/201902010 http://dx.doi.org/10.12170/201902010

丁超，唐力伟，曹立军，等 . 基于结构光的身管膛线高度差检测［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 4 ）： 545 - 553 . doi: 10.3788/OPE.20172504.1077 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20172504.1077

DING CH ， TANG L W ， CAO L J ， et al . Height difference detection of barrel rifling based on structured light ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 4 ）： 545 - 553 . （in Chinese） . doi: 10.3788/OPE.20172504.1077 http://dx.doi.org/10.3788/OPE.20172504.1077

王华，邢春齐，高金刚，等 . 点云频域配准的双目双线结构光列车轮对检测［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 3 ）： 616 - 624 . doi: 10.3788/ope.20172503.0616 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172503.0616

WANG H ， XING CH Q ， GAO J G ， et al . Detection of wheel-set size of rail vehicle using double 2D laser displacement sensors based on point cloud data registration in frequency domain ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 3 ）： 616 - 624 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20172503.0616 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20172503.0616

雷国斌 . 固体发动机内绝热层表面三维缺陷检测与修补［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2020 .

LEI G B . Three-dimensional Defect Detection and Repair on the Surface of Thermal Insulation Layer in Solid Motor ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2020 . （in Chinese）

李勇，张广汇，马利红，等 . 条纹投影动态三维表面成像技术综述［J］. 红外与激光工程， 2020 ， 49 （ 3 ）： 91 - 103 . doi: 10.3788/irla202049.0303005 http://dx.doi.org/10.3788/irla202049.0303005

LI Y ， ZHANG G H ， MA L H ， et al . Review of dynamic three-dimensional surface imaging based on fringe projection ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2020 ， 49 （ 3 ）： 91 - 103 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla202049.0303005 http://dx.doi.org/10.3788/irla202049.0303005

左超，张晓磊，胡岩，等 . 3D真的来了吗？：三维结构光传感器漫谈［J］. 红外与激光工程， 2020 ， 49 （ 3 ）： 9 - 53 . doi: 10.3788/irla202049.0303001 http://dx.doi.org/10.3788/irla202049.0303001

ZUO CH ， ZHANG X L ， HU Y ， et al . Has 3D finally come of age？ —An introduction to 3D structured-light sensor ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2020 ， 49 （ 3 ）： 9 - 53 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla202049.0303001 http://dx.doi.org/10.3788/irla202049.0303001

刘宾，王黎明，赵霞 . 基于CCD尺寸测量中图像边缘退化及恢复技术研究［J］. 应用光学， 2013 ， 34 （ 6 ）： 995 - 999 . doi: 10.5768/JAO201334.0603002 http://dx.doi.org/10.5768/JAO201334.0603002

LIU B ， WANG L M ， ZHAO X . Restoration of degraded edge in size measurement based on CCD image ［J］. Journal of Applied Optics ， 2013 ， 34 （ 6 ）： 995 - 999 . （in Chinese） . doi: 10.5768/JAO201334.0603002 http://dx.doi.org/10.5768/JAO201334.0603002

袁清钰 . 条纹管激光雷达水下三维成像及图像处理研究［D］. 深圳：深圳大学， 2018 .

YUAN Q Y . Research on Underwater Three-dimensional Imaging and Image Processing of Streak Tube Imaging Lidar ［D］. Shenzhen， China ： Shenzhen University ， 2018 . （in Chinese）

邹文 . 水下航行器视觉系统设计与图像清晰化算法研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2017 .

ZOU W . Research on Vision System Designing and Image Dehazing Algorithm of Underwater Vehicles ［D］. Harbin ： Harbin Institute of Technology ， 2017 . （in Chinese）

LAVEST J M ， RIVES G ， LAPRESTÉ J T . Dry camera calibration for underwater applications ［J］. Machine Vision and Applications ， 2003 ， 13 （ 5/6 ）： 245 - 253 . doi: 10.1007/s00138-002-0112-z http://dx.doi.org/10.1007/s00138-002-0112-z

KWON Y H ， CASEBOLT J B . Effects of light refraction on the accuracy of camera calibration and reconstruction in underwater motion analysis ［J］. Sports Biomechanics ， 2006 ， 5 （ 2 ）： 315 - 340 . doi: 10.1080/14763141.2006.9628227 http://dx.doi.org/10.1080/14763141.2006.9628227

王宗义 . 线结构光视觉传感器与水下三维探测［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2005 .

WANG Z Y . Structured Light Sensor and Underwater 3 D Inspecting System ［D］. Harbin ： Harbin Engineering University ， 2005 . （in Chinese）

解则晓，余江姝，迟书凯，等 . 非平行双目视觉系统水下标定与测量［J］. 光学学报， 2019 ， 39 （ 9 ）： 195 - 204 . doi: 10.3788/aos201939.0912004 http://dx.doi.org/10.3788/aos201939.0912004

XIE Z X ， YU J SH ， CHI SH K ， et al . Underwater calibration and measurement based on non-parallel stereovision ［J］. Acta Optica Sinica ， 2019 ， 39 （ 9 ）： 195 - 204 . （in Chinese） . doi: 10.3788/aos201939.0912004 http://dx.doi.org/10.3788/aos201939.0912004

FAN H ， QI L ， JU Y K ， et al . Refractive laser triangulation and photometric stereo in underwater environment ［C］. 2017 ： 113101 . doi: 10.1117/1.oe.56.11.113101 http://dx.doi.org/10.1117/1.oe.56.11.113101

许丽，周永昊，张帆，等 . 基于光平面约束的水下三维视觉测量系统［J］. 中国激光， 2020 ， 47 （ 9 ）： 0904004 . doi: 10.3788/cjl202047.0904004 http://dx.doi.org/10.3788/cjl202047.0904004

XU L ， ZHOU Y H ， ZHANG F ， et al . Underwater three-dimensional measurement vision system using light-plane constraint ［J］. Chinese Journal of Lasers ， 2020 ， 47 （ 9 ）： 0904004 . （in Chinese） . doi: 10.3788/cjl202047.0904004 http://dx.doi.org/10.3788/cjl202047.0904004

SJÖDAHL M ， SYNNERGREN P . Measurement of shape by using projected random patterns and temporal digital speckle photography ［J］. Applied Optics ， 1999 ， 38 （ 10 ）： 1990 . doi: 10.1364/ao.38.001990 http://dx.doi.org/10.1364/ao.38.001990

ETTL S ， AROLD O ， YANG Z ， et al . Flying triangulation： an optical 3D sensor for the motion-robust acquisition of complex objects ［J］. Applied Optics ， 2012 ， 51 （ 2 ）： 281 - 289 . doi: 10.1364/ao.51.000281 http://dx.doi.org/10.1364/ao.51.000281

PAGÈS J ， SALVI J ， COLLEWET C ， et al . Optimised De Bruijn patterns for one-shot shape acquisition ［J］. Image and Vision Computing ， 2005 ， 23 （ 8 ）： 707 - 720 . doi: 10.1016/j.imavis.2005.05.007 http://dx.doi.org/10.1016/j.imavis.2005.05.007

张启灿，吴周杰 . 基于格雷码图案投影的结构光三维成像技术［J］. 红外与激光工程， 2020 ， 49 （ 3 ）： 78 - 90 . doi: 10.3788/irla202049.0303004 http://dx.doi.org/10.3788/irla202049.0303004

ZHANG Q CH ， WU ZH J . Three-dimensional imaging technique based on Gray-coded structured illumination ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2020 ， 49 （ 3 ）： 78 - 90 . （in Chinese） . doi: 10.3788/irla202049.0303004 http://dx.doi.org/10.3788/irla202049.0303004

INOKUCHI S . Range imaging system for 3D object recognition ［J］. ICPR ， 1984 ， 1984 ： 806 - 808 .

QIAN K M . Windowed Fourier transform for fringe pattern analysis ［J］. Applied Optics ， 2004 ， 43 （ 13 ）： 2695 . doi: 10.1364/ao.43.002695 http://dx.doi.org/10.1364/ao.43.002695

ZUO C ， FENG S J ， HUANG L ， et al . Phase shifting algorithms for fringe projection profilometry： a review ［J］. Optics and Lasers in Engineering ， 2018 ， 109 ： 23 - 59 . doi: 10.1016/j.optlaseng.2018.04.019 http://dx.doi.org/10.1016/j.optlaseng.2018.04.019

TSAI R . A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3D machine vision metrology using off-the-shelf TV cameras and lenses ［J］. IEEE Journal on Robotics and Automation ， 1987 ， 3 （ 4 ）： 323 - 344 . doi: 10.1109/jra.1987.1087109 http://dx.doi.org/10.1109/jra.1987.1087109

许丽，张之江 . 基于共面靶标的结构光标定方法［J］. 光电子激光， 2009 ， 20 （ 8 ）： 1063 - 1069 . doi: 10.1117/12.823829 http://dx.doi.org/10.1117/12.823829

XU L ， ZHANG ZH J . Calibration in structured light system using coplanar target ［J］. Journal of OptoelectronicsLaser ， 2009 ， 20 （ 8 ）： 1063 - 1069 . （in Chinese） . doi: 10.1117/12.823829 http://dx.doi.org/10.1117/12.823829

浏览量

1008

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于立体定向靶标的探针式多视场三维视觉测量系统

光笔式大视场三维视觉测量系统

结构光系统的周期编码光设计

基于Mamba架构的遥感图像超分辨率重建方法综述

复杂关节物体六自由度位姿估计与实时系统