本發明涉及水下三維成像與圖像處理，特別是一種采用四相機的水下變基線立體成像系統、去除噪聲方法以及圖像增強方法。

背景技術：

1、目前水下雙目立體成像技術已經在多個領域取得了廣泛的應用，特別是在海洋探索、沉船考古、海底地形測繪以及水下機器人定位與導航等方面。雖然雙目立體成像技術存在著廣泛的應用場景，但現有的水下雙目探測技術仍然存在很多的問題，最為突出的問題有以下幾項：

2、(1)雙目立體成像系統的有效范圍是兩相機的視野重疊區域，造成視野較??；

3、(2)目前的水下雙目立體成像系統均為固定基線，這種系統在對遠近不同物體成像時，其空間精度會受到影響。尤其是短基線系統在遠距離物體的深度估計上，誤差會顯著增加；

4、(3)海水環境與陸地的環境不同，由于光照條件不佳與海水的干擾，在雙目圖像視差匹配的時候會引入大量的隨機噪聲，這些隨機噪聲僅憑后期的圖像處理算法極難去除；

5、(4)水體的衰減特性，導致水下成像色彩偏差較大。由于無法精準獲得當前水體的衰減系數，水下圖像處理效果不佳。

技術實現思路

1、本發明的目的在于克服現有技術存在的上述缺陷，提出了一種水下變基線立體成像系統、去除噪聲方法以及圖像增強方法，解決了現有的雙目相機在實際應用中面臨的成像視野受限、固定基線長度在不同成像距離下準確性變化，水下弱光照條件下隨機噪聲干擾等問題，并基于該系統實現水體光學衰減參數的估計，并利用該參數對水下圖像進行色彩補償，以提高水下成像質量。

2、本發明的技術方案是：一種水下變基線立體成像系統，其中，包括控制艙、滑軌、以及兩個雙目相機艙；

3、兩個雙目相機艙呈平行共線裝配，其中的一個雙目相機艙固定在滑軌上，該雙目相機艙內設有第一相機和第二相機；另一個雙目相機艙可移動地設置在滑軌上，該雙目相機艙內設有第三相機和第四相機；

4、兩雙目相機艙之間的距離可調。

5、本發明中，該系統能夠實現大范圍組合成像模式：

6、調整可移動的雙目相機相機艙在滑軌上的位置，使第一相機和第二相機形成的有效成像范圍、第三相機和第四相機形成的有效成像范圍、第二相機和第三相機形成的有效成像范圍完整連接起來，獲得大視角的點云文件。

7、該系統能夠實現小范圍高精度冗余成像模式：第一相機與第三相機所形成的有效成像范圍、第二相機與第四相機所形成的有效成像范圍之間形成重疊區域；

8、調整可移動的雙目相機相機艙在滑軌上的位置，使重疊區域最大化。

9、本發明還公開了一種基于上述水下變基線立體成像系統的去除水下隨機噪聲的方法，其中，包括以下步驟：

10、s1、對第三相機和第四相機進行雙目相機的視差計算，得的兩相機的視差圖；

11、s2、根據第三相機和第四相機的視差圖，分別在第一相機和第三相機組成的雙目立體相機中、以及第二相機和第四相機組成的雙目立體相機中找到對應點后，進行視差的一致性比較，從而實現去噪。

12、上述步驟s1中，對第三相機和第四相機進行視差計算，得到第三相機和第四相機的視差圖g3，

13、g3(i,j)＝a；

14、其中，i表示對應像素點橫坐標，j表示對應像素點縱坐標，a表示第三相機和第四相機的視差值；

15、步驟s2中，根據第三相機與第四相機的圖片對應像素點坐標，在第一相機和第三相機組成的雙目立體相機中找到對應點，并得到該對應點在第一相機和第三相機視差重疊區的像素視差值d13＝g1(i,j+a)＝c；

16、同樣的，在第二相機和第四相機組成的雙目立體相機中找到對應點，并得到該對應點在第二相機和第四相機視差重疊區的像素視差值d24＝g2(i,j)＝b；

17、將同一目標點的視差值d13和d24進行比較，若|d13-d24|＝|c-b|≤δ，該目標點被保留；若|d13-d24|＝|c-b|>δ，該目標點被舍棄，其中的δ為人工設置的閾值；

18、去除噪聲后即可根據標定結果進行點云拼接，實現高精度稠密點云的生成。

19、本技術還公開了一種利用上述水下變基線立體成像系統實現圖像增強的方法，其中，包括以下步驟：

20、a、對水體衰減系數的估計；

21、b、基于步驟a得到的水體衰減系數估計結果，對圖像的色彩通道進行補償。

22、步驟a的具體實現過程如下所述：

23、在深海進行拍攝時照明光全部來源于人工光源，根據朗伯比爾定律可知，光在水中的衰減近似使用以下公式表示：

24、i(d)＝i0·e-kd，

25、δi(d)＝i0-i(d)＝i0·(1-e-kd)，

26、其中，i0是入射光的光強度；i(d)是相機接收到的光強度；δi(d)為光的衰減量；d為光在水中傳播的距離；k為水體衰減系數，k為與波長相關的函數，對應圖像的r、g、b三個色彩通道，k包含了kr、kg、kb三個分量；

27、設照明光源到水下目標物的向量為a，目標物到左側雙目相機的向量為b，水下目標物到右側雙目相機的向量為c，右側雙目相機到左側雙目相機的向量為d，右側雙目相機到照明光源的向量為e，照明光源發出的照明光進入右側雙目相機的光程d2表示為：

28、d2＝|a|+|c|，

29、照明光源發出的照明光進入左側雙目相機的光程d3表示為：

30、d3＝|a|+|b|，

31、a＝c+e，

32、光程d2與d3的光程差異δd表示為：

33、δd＝d3-d2＝|b|-|c|，

34、水下目標物到右側雙目相機之間的距離表示為：

35、c＝(-x2,-y2,-z2)，

36、

37、其中，(x2,y2,z2)為右側雙目相機深度矩陣中目標物對應像素點存儲的目標物的空間位置；

38、水下目標物到左側雙目相機之間的距離表示為：

39、b＝(-x2,-y2,-z2)，

40、

41、其中，(x3,y3,z3)為左側雙目相機深度矩陣中目標物對應像素點存儲的目標物的空間位置；

42、將求得的|b|和|c|帶入光程差異δd的表達式中，則此時光程差異δd為：

43、

44、雙目相機的深度矩陣利用內參矩陣與像素坐標求出，具體形式如下：

45、

46、其中，m、n為圖像像素坐標系的坐標，x、y、z為深度矩陣中(m，n)位置存儲的相機坐標系下的坐標；cx表示圖像中心點在水平方向的像素坐標；cy表示圖像中心點在垂直方向的像素坐標；fx，fy是焦距在像素單位下的表示，fx是在x方向上的焦距，fy是在y方向上的焦距；q表示構成雙目相機的兩個攝像頭之間的水平距離，p為雙目相機視差圖中(m，n)像素位置處的視差值；

47、相機接收到的目標點光強i寫成以下形式：

48、

49、其中，it為目標點反射的初始光強度，dt為目標點到相機的距離，s為相機鏡頭的孔徑面積；

50、將右側雙目相機和左側雙目相機中對應同一目標點的像素值i2、i3和距離|c|、|b|代入衰減公式可得：

51、

52、代入δd數值，計算得到水體衰減系數k；

53、由于i2和i3包含有r、g、b三個通道值，分別進行計算則可獲得三個色彩通道的水體衰減系數kr、kg、kb：

54、

55、步驟b的具體實現過程如下所述：

56、色彩補償分為兩個部分，一部分是補償照明光源發出的光到水下目標之間距離|a|上的光衰減，另一部分則是補償水下目標到雙目相機之間距離上的光衰減；

57、對右側雙目相機圖像中目標點對應像素的r、g、b通道數值進行補償可寫成:

58、

59、其中，α、β、γ分別為照明光源發出的光到目標點之間距離|a|上紅、綠和藍分量補償系數；α‘’，β‘’，γ‘’分別為目標點反射光到右側雙目相機之間距離|c|上紅、綠和藍分量的補償系數；為右側雙目相機中rgb格式的圖像矩陣中復原前像素點紅色通道的數值；為右側雙目相機中rgb格式的圖像矩陣中復原前像素點綠色通道數值；為右側雙目相機中rgb格式的圖像矩陣中復原前像素點藍色通道的數值；i‘’r為復原后的右側雙目相機中紅色通道像素點的數值；i″g為復原后的右側雙目相機中綠色通道像素點的數值；i″b為復原后的右側雙目相機中藍色通道像素點的數值；

60、對左側雙目相機圖像中目標點對應像素的r、g、b通道數值進行補償可寫成:

61、

62、其中，α′，β′，γ′分別為水下目標點反射光到左側雙目相機之間距離|b|上紅、綠和藍分量的補償系數；為左側雙目相機中rgb格式的圖像矩陣中復原前像素點紅色通道的數值；為左側雙目相機中rgb格式的圖像矩陣中復原前像素點綠色通道數值；為左側雙目相機中rgb格式的圖像矩陣中復原前像素點藍色通道的數值；i′r為復原后的左側雙目相機中紅色通道像素點的數值；i′g為復原后的左側雙目相機中綠色通道像素點的數值；i′b為復原后的左側雙目相機中藍色通道像素點的數值。

63、本發明的有益效果是：

64、(1)本技術提出的基于四相機的水下變基線立體成像系統能夠實現大范圍組合成像模式，通過該模式可以得到一個大視角的點云文件；

65、(2)本技術提出的基于四相機的水下變基線立體成像系統，還能夠實現小范圍高精度冗余成像模式，重疊區域可以同時被兩組雙目相機探測到，具有豐富的冗余信息，這些冗余信息可以用于對海水擾動與光照較暗帶來的隨機噪聲的去除，進一步增強成像的精度，并且本技術實現了基線可調，因此可以通過調整基線距離得到最大面積的重疊區域；此外，通過基線距離調整還能保證不同距離上雙目相機的成像精度；

66、(3)本技術提出的去除水下隨機噪聲的方法能夠有效去除雙目圖像視差匹配過程中引入的大量隨機噪聲；

67、(4)本技術利用長基線下的兩組雙目相機，能夠實現同一目標不同距離條件下的成像；進一步根據兩組不同距離下圖像中同一目標的色彩通道差異計算出水體衰減系數，并用于水下圖像色彩的補償，可實現對于全圖像的色彩補償；

68、(5)本技術中的四個相機能夠取得更多的視頻流，系統的魯棒性顯著提升，這對于復雜多變的水下環境是非常有利的。