本發(fā)明屬于機器視覺三維測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

海底資源勘探、海洋開發(fā)、水下探測、水下反恐等領(lǐng)域，需要一種測量范圍大，分辨率高的三維視覺測量系統(tǒng)?，F(xiàn)有的三維視覺測量技術(shù)主要有光點掃描三角測距法、位相輪廓測量法、莫爾法及傅立葉變換法等。其中光點掃描三角測量法分辨率較高，激光成點狀投射到被測物體表面所需功率要求低，利用簡單的三角關(guān)系可計算得到距離值，并通過二維掃描可獲得被測物體的三維面型，但存在的問題是系統(tǒng)的橫向掃描測量范圍和縱向測距范圍相互制約。對此，m.rioux等人提出激光同步掃描三角測距成像的思想，解決了橫向掃描測量范圍和縱向測距范圍相互制約問題。所謂同步掃描是在光路設計上使接收光路與掃描光路共用一掃描器，使得接收光路與發(fā)射光路同步。

將激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)應用在水下，由于水介質(zhì)對光存在嚴重的吸收和散射作用，導致光在水中傳輸時的能量按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，且圖像清晰度降低。盡管可以通過增加照明光功率的方法來擴展水下成像距離，但這也會給水下圖像帶來背景灰度不均和圖像質(zhì)量變差的問題。傳統(tǒng)方法從水體的藍綠光的光學窗口方面入手提高成像距離，在抑制后向散射方面主要采用距離選通以及偏振技術(shù)等手段。雖然這些傳統(tǒng)方法都一定程度的效果，但是水環(huán)境是復雜而多變的，傳統(tǒng)方法在解決水介質(zhì)吸收和散射導致的成像質(zhì)量變差方面的效果有限，使激光同步掃描三角測距成像技術(shù)在水下的應用受到了很大限制。

對成像系統(tǒng)而言，光是載體，攜帶了物方場景的所有信息，包括目標物體的反射光、發(fā)射光和反射光在傳播路徑上的后向散射光和前向散射光、其它各種雜光等，所有光線的總和構(gòu)成物方場景光場。光場中的每條光線在介質(zhì)中傳播具有位置(x,y,z)、方向(θ,φ)、頻率()、偏振態(tài)(p)、輻射強度(r)和時間(t)等多種屬性，可用全光函數(shù)來描述。一般情況下，采用兩個平行平面來描述光場，則可以用4個參數(shù)來表達，簡稱四維光場。對于激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)來說，有效信息是被目標物體反射的激光光斑圖像在圖像傳感器上的位置坐標，傳統(tǒng)的圖像記錄傳感器很難將激光光斑圖像從包含各種光場信息的圖像中提取出來。采用以光場傳感器為核心的光場成像技術(shù)，是在光路中插入微透鏡陣列，將物方場景的光場信息通過微透鏡陣列的空間復用方式記錄下來。依據(jù)光場信息，可以實現(xiàn)物方場景的斷層掃描重聚焦，也就是對物方場景任意位置處作聚焦處理，在該位置處獲得清晰圖像?；谶@種特性，通過光場成像技術(shù)獲取包含目標物體表面激光光斑的光場數(shù)據(jù)，通過光場重聚焦技術(shù)，能有效提取投射到物體表面反射后的激光光斑清晰圖像，抑制物方場景其它位置的散射光和各種雜光。因此，結(jié)合光場成像技術(shù)，可提高水下探測成像質(zhì)量，繼而提高水下三角測距精度，是激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)在水下應用研究的新方向。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)和方法，用于改善水下成像質(zhì)量，提高水下激光同步掃描三角測距精度。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)，包括激光器、雙面反射振鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、擺鏡、被測物體、光場相機；所述第一反射鏡和第二反射鏡關(guān)于雙面反射振鏡左右對稱分布，所述激光器置于雙面反射振鏡的前方，所述光場相機置于雙面反射振鏡的后方，所述擺鏡置于激光器的前方，被測物體的后方。

所述光場相機包括主透鏡和空間復用光場傳感器，所述空間復用光場傳感器包括微透鏡陣列和圖像傳感器；所述主透鏡位于光場相機的前方，其后依次布置微透鏡陣列和圖像傳感器。

一種基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像方法，使用上述的基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)，具體步驟如下：

1）同步掃描成像光路，具體為：激光器發(fā)出的激光，通過雙面反射振鏡、第一反射鏡、擺鏡的反射，投射到被測物體表面上某一點，并發(fā)生漫反射，部分反射光經(jīng)過擺鏡、第二反射鏡、雙面反射振鏡，由光場相機的主透鏡接收匯聚，再經(jīng)微透鏡陣列，最終到達圖像傳感器的光敏面上，成為一個光斑圖像；

2）光場記錄成像，具體為：微透鏡陣列和圖像傳感器構(gòu)成空間復用光場傳感器，記錄四維光場中每一條光線的位置和方向信息（u,v,s,t），其中微透鏡陣列上的坐標（u,v）表示位置，圖像傳感器上的坐標（s,t）表示方向；

3）斷層掃描圖像重聚焦，具體為：圖像傳感器記錄的圖像包含四維光場信息，通過空域光場變換技術(shù)來實現(xiàn)對不同深度場景的斷層掃描重聚焦，獲得物方場景不同深度的重聚焦切片圖像；

4）激光光斑圖像的確定，具體為：空域光場變換參數(shù)與物體斷層深度信息具有對應性，因此通過聚焦形貌恢復方法對場景不同深度重聚焦圖片序列進行處理，獲得場景在空域光場變換參數(shù)域下的斷層深度信息，物體表面激光光斑圖像就是斷層深度信息中遠極點深度層所對應的重聚焦圖像，此遠極點也就是激光光斑圖像的位置坐標；

5）物體表面三維成像，具體為：從光場記錄中提取被測物體上激光投射點的反射光斑圖像位置值后，依據(jù)三角關(guān)系，計算得到被測物體上激光投射點的三維坐標值；雙面反射振鏡的連續(xù)振動和擺鏡的連續(xù)擺動，在被測物體表面形成光柵掃描軌跡，通過獲得每個點的三維坐標值，實現(xiàn)對整個被測物體表面的三維成像。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

本發(fā)明結(jié)合光場成像技術(shù)，利用光場傳感器記錄激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)中包含目標反射光和各種散射光的物方場景所有光場信息，利用重聚焦斷層掃描算法，獲得物方場景不同深度的重聚焦切片圖像，再利用遠極點重聚焦圖像確定目標反射激光光斑圖像的精確位置，從而提高了水下激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)的三維面型測量精度和成像質(zhì)量。

附圖說明

圖1為基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)示意圖。

圖2為確定目標反射光斑位置的流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的具體實施例做進一步的說明。

如圖1所示，一種基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)，包括激光器1、雙面反射振鏡2、第一反射鏡3、第二反射鏡4、擺鏡5、被測物體6、光場相機7；所述第一反射鏡3和第二反射鏡4關(guān)于雙面反射振鏡2左右對稱分布，所述激光器1置于雙面反射振鏡2的前方，所述光場相機7置于雙面反射振鏡2的后方，所述擺鏡5置于激光器1的前方，被測物體6的后方。

所述光場相機7包括主透鏡8和空間復用光場傳感器，所述空間復用光場傳感器包括微透鏡陣列9和圖像傳感器10；所述主透鏡8位于光場相機7的前方，其后依次布置微透鏡陣列9和圖像傳感器10。

如圖2所示，一種基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像方法，使用上述的基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)，具體步驟如下：

1）同步掃描成像光路，具體為：激光器1發(fā)出波長為450nm的藍色激光，通過雙面反射振鏡2、第一反射鏡3、擺鏡5的反射，投射到被測物體6表面上某一點，并發(fā)生漫反射，部分反射光經(jīng)過擺鏡5、第二反射鏡4、雙面反射振鏡2，由光場相機7的主透鏡8接收匯聚，再經(jīng)微透鏡陣列9，最終到達圖像傳感器10的光敏面上，成為一個光斑圖像；

2）光場記錄成像，具體為：微透鏡陣列9和圖像傳感器10構(gòu)成空間復用光場傳感器，記錄四維光場中每一條光線的位置和方向信息（u,v,s,t），其中微透鏡陣列9上的坐標（u,v）表示位置，圖像傳感器10上的坐標（s,t）表示方向；

3）斷層掃描圖像重聚焦，具體為：圖像傳感器10記錄的圖像包含四維光場信息，通過空域光場變換技術(shù)來實現(xiàn)對不同深度場景的斷層掃描重聚焦，獲得物方場景不同深度的重聚焦切片圖像；

4）激光光斑圖像的確定，具體為：空域光場變換參數(shù)與物體斷層深度信息具有對應性，因此通過聚焦形貌恢復方法對場景不同深度重聚焦圖片序列進行處理，獲得場景在空域光場變換參數(shù)域下的斷層深度信息，物體表面激光光斑圖像就是斷層深度信息中遠極點深度層所對應的重聚焦圖像，此遠極點也就是激光光斑圖像的位置坐標；

5）物體表面三維成像，具體為：從光場記錄中提取被測物體6上激光投射點的反射光斑圖像位置值后，依據(jù)三角關(guān)系，計算得到被測物體6上激光投射點的三維坐標值；雙面反射振鏡2的連續(xù)振動和擺鏡5的連續(xù)擺動，在被測物體6表面形成光柵掃描軌跡，通過獲得每個點的三維坐標值，實現(xiàn)對整個被測物體6表面的三維成像。

綜上所述，本發(fā)明基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)和方法，對記錄光場采取斷層掃描重聚焦，獲得物方場景不同深度的重聚焦切片圖像，再利用遠極點重聚焦圖像確定目標反射激光光斑圖像的精確位置，提高了水下激光同步掃描三角測距成像系統(tǒng)的三維面型測量精度和成像質(zhì)量。