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基于结构光点云的水下目标三维重建技术研究

摘要

海洋占据了地球表面的三分之二，富含各种能源与生物资源，自古以来，人类就对

海洋就充满了无尽的好奇和探索的欲望。海洋环境要比陆地复杂得多，而人类又在海里

行动受限，无法长时间进行作业，因此借助各种仪器工具辅助进行海底探索成为一种必

要的手段。三维重建是一种将现实世界中的物体数字化的技术，在海底地形勘探、海洋

生物研究、水下考古等领域正发挥着重要作用。线结构光因为结构简单、速度快、非接

触等优点得到了广泛应用，本文针对基于线结构光的水下三维重建中关键技术进行研究，

研究内容主要有以下几个方面：

首先开发了水下相机与激光器，搭建了基于线结构光的水下三维重建系统，该系统

使用电机控制转轴带动相机与激光器旋转，实现对水下目标的完整扫描，完成了对相机、

结构光平面以及转轴的标定。重点研究了水下光折射补偿，通过将线结构光传感器作为

一个整体来分析玻璃和水对传感器测量数据的影响，建立折射补偿模型对采集的数据进

行校正。

其次，完成了水下目标线结构光图像的获取及处理。对相机采集到的光条图像进行

了分割和细化，并引入光中心提取算法提取出图像中光条的亚像素坐标，进而通过坐标

转换获得水下三维点云数据。通过水下折射补偿模型对标准件点云数据进行校正，验证

了模型的有效性。

再次，针对原始的目标点云数据，研究了多种滤波算法去除离散的噪声点，并降采

样，减小了后续操作的点云计算量，同时保留了模型点云的细节特征。采用基于关键点

的改进4PCS算法，完成了对不同视角点云的粗拼接，接着使用ICP算法对粗拼接的点

云进行精拼接，使得配准拼接更加精准。同时引入了KD-Tree加速了ICP算法的执行时

间，提升了拼接效率，通过将四个视角的点云数据拼接在一起，获得完整的模型点云。

最后，采用泊松表面重建算法对离散的点云重建出具有光滑表面的三维模型。并且

根据线结构光的原理，构建出二维RGB图像像素与三维点云之间的对应关系，将颜色

纹理信息赋予点云，并根据彩色点云重建出彩色的目标模型，还原出水下目标真实面貌。

本文在实验室水池中完成整个水下三维重建过程，依据本文提出的算法对实验数据

进行处理，并对结果进行分析，基本满足系统精度要求，验证了实验方案的可行性。

关键词：线结构光；水下目标；点云；三维重建

基于结构光点云的水下目标三维重建技术研究

Abstract

Theoceanoccupiestwothirdsoftheearthssurfaceandisrichinavarietyofenergyand

biologicalresources.Sinceancienttimes,mankindhasbeenfullofendlesscuriosityanddesire

toexploretheocean.Themarineenvironmentismuchmorecomplexthantheland,andhuman

beingsarerestrictedtomoveinthesea,unabletooperateforalongtime,sowiththeaidofa

varietyofinstrumentsandtoolstoassistintheexplorationoftheseabedhasbecomeanecessary

means.Three-dimensionalreconstructionisatechnologythatdigitizesobjectsintherealworld,

andisplayinganimportantroleinthefieldsofunderseaterrainexploration,marinebiology

research,andunderwaterarchaeology.Linestructuredlighthasbeenwidelyusedbecauseof

itsadvantagesofsimpl