基于双目视觉的水下位姿测量技术研究

• 作 者: 张谷祥
• 机 构: 长春理工大学
• 出 处: 长春理工大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 双目视觉 位姿测量 FPGA 摄像头标定 立体匹配

人类探索水下资源从未停止,为此开发出了各种类型水下探测设备,如水下机器人、潜航器等。由于在水下近距离段测量水下目标以视觉测量最为直接且能够获取更加丰富的信息,所以水下视觉测量成为了一个研究热点。目前水下视觉测量多集中在获取目标的位置信息上,而对目标的姿态信息研究较少,因此,本文基于视觉系统对水下目标姿态测量进行技术上的研究具有重要意义。本文主要研究内容如下:首先,针对水下测量使用单一介质的成像模型导致测量误差大的问题,基于折射定律,通过建立一种新的水、玻璃和空气的折射成像模型来达到提高测量精度的目的;针对双目摄像头在摆放时不可避免的存在一定夹角导致两个成像平面不平行的问题,基于立体校正的思想,通过使用校正参数矩阵与像素矩阵相乘的方法来实现两个成像平面平行的目的;针对两个成像平面极线不在一条线上导致匹配出错的问题,采用校正乘积参数矩阵与像素矩阵相乘的方法来达到极线处于相对应匹配点行像素上的目的。其次,针对基于Census变换的匹配算法匹配精度较差易受到模板中心值影响的问题,提出加入高斯滤波函数和用四位二进制表示比较结果的方式来达到提高匹配精度和抗干扰能力的目的;针对双目视觉系统中的图像数据量大、图像数据采集不同步、不能并行运算以及立体匹配达不到实时性的问题,基于FPGA的强大并行运算的特点采用硬件加速的方法来实现图像同步采集和实时立体匹配的目的。然后,根据水下环境和双目视觉测量的特点,对硬件系统进行合理选型,从摄像头、处理器、存储器、再到水容器等。完成基于双目视觉的水下位姿测量实验平台搭建,验证系统的自动采集、传输、预处理和显示功能。最后,使用改进的标定算法和立体匹配算法开展硬件仿真实验,得到实验结果。根据实验结果数据对摄像头校正并比较校正前后的图像,来证明改进算法的有效性。利用双目视差图和相对位姿测量的机理对水下目标进行位姿测量,来验证水下位姿测量的可行性。