一种基于光路分析的水下全景相机防水球壳的优化方法技术

本发明专利技术涉及水下机器人光学探测技术领域，具体说是一种基于光路分析的水下全景相机防水球壳的优化方法，包括以下步骤：建立未安装防水球壳的全景相机的光学仿真模型，并进行仿真计算，得到全景相机在模拟空气环境或海水环境下的仿真成像效果；建立安装防水球壳的水下全景相机的光学仿真模型，选取防水球壳不同几何尺寸参数建立多组光学仿真模型，并对建立的多组光学仿真模型进行仿真计算，得到水下全景相机在模拟海水环境下的仿真成像效果；对多组仿真结果进行对比分析，获取多组仿真结果中最优成像效果所对应的防水球壳的几何尺寸参数

【技术实现步骤摘要】
一种基于光路分析的水下全景相机防水球壳的优化方法


[0001]本专利技术涉及水下机器人光学探测
，具体说是一种基于光路分析的水下全景相机防水球壳的优化方法
。

技术介绍

[0002][0003]水下机器人是人类进入海洋
、
探测海洋和开发海洋的重要技术手段，其中光学设备
(
水下相机和激光等
)
与声学设备
(
声纳等
)
是水下机器人探测海洋的主要设备
。
目前的水下相机按照摄像头数目可分为单目或双目水下相机
。
水下相机采集水下场景图像信息并反馈到水面支持母船的显示器上，供操作员监视水下机器人和环境的实时状态
。
水下相机采集的水下环境图像信息也可以存储起来供后期查看分析，或者也可以结合图像处理算法实现水下目标的自主识别和定位
。
[0004]由于水下相机视场角度有限，通常可以将其安装在水下云台上，通过云台的转动带动水下相机视场方向的改变
。
但是这种方式只能改变水下相机的视场方向，不能增加视场角度的大小，无法全面的监视或记录水下全景信息，并且水下云台的使用也会增加水下机器人操作的复杂性
。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是提供一种通过给常规空气中使用的全景相机加装防水球壳，使其能够应用于水下环境全景成像的方法，通过对防水球壳的光路分析与优化设计最终达到水下全景相机成像清晰度高
、
视场角大和畸变小的特点
。
[0006]本专利技术为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于光路分析的水下全景相机防水球壳的优化方法，包括以下步骤：
[0007]1‑
1)
基于全景相机的指标参数，在光学仿真软件中建立未安装防水球壳的全景相机的光学仿真模型，基于该模型进行仿真计算，得到全景相机在模拟空气环境或海水环境下的仿真成像效果，该仿真成像效果用于与安装防水球壳的水下全景相机的仿真结果进行对比；
[0008]1‑
2)
在步骤1‑
1)
建立的未安装防水球壳的全景相机的光学仿真模型基础上，结合防水球壳几何尺寸与材料折射率，建立安装防水球壳的水下全景相机的光学仿真模型，选取防水球壳不同几何尺寸参数建立多组光学仿真模型，以形成对照组；
[0009]1‑
3)
利用光学仿真软件对步骤1‑
2)
建立的多组光学仿真模型进行仿真计算，得到水下全景相机在模拟海水环境下的仿真成像效果；
[0010]所述仿真成像效果，包括：视场角
、
清晰度和畸变；
[0011]1‑
4)
对步骤1‑
1)
和步骤1‑
3)
得到的多组仿真结果进行对比分析，获得全景相机成像效果与是否安装防水球壳
、
以及防水球壳尺寸参数的关系，并获取多组仿真结果中最优综合成像效果所对应的防水球壳的几何尺寸参数，即作为防水球壳的最优设计参数
。
[0012]步骤1‑
1)
中，所述在光学仿真软件中建立未安装防水球壳的全景相机的光学仿真模型，其中，建模过程具体为：
[0013]2‑
1)
利用全景相机的几何尺寸参数建立全景相机的三维模型；
[0014]所述全景相机几何尺寸参数包括：相机外形尺寸
、
镜头曲率
、
镜头轴线位置和感光靶面轴线位置；
[0015]2‑
2)
将全景相机三维模型导入到光学仿真环境内，依次输入相机焦距
、
光圈
、
视场角和环境介质折射率参数，设置入射光线的角度范围；
[0016]所述环境介质折射率参数，包括：海水
、
空气和防水球壳折射率参数；
[0017]2‑
3)
设计全景相机光学仿真模型的可视化界面，设置仿真输出数据的内容格式和保存方式，保存上述过程文件形成未安装防水球壳的全景相机的光学仿真模型
。
[0018]步骤1‑
1)
中，所述基于该模型进行仿真计算，得到全景相机在模拟空气环境或海水环境下的仿真成像效果，其中，仿真计算过程具体为：
[0019]3‑
1)
调用已建立的全景相机的光学仿真模型，并在可视化界面内检查模型的正确性；
[0020]3‑
2)
输入仿真计算初始参数，其中，仿真计算初始参数包括：可见光波长范围
、
计算求解精度和仿真时间；
[0021]3‑
3)
基于光在介质中传播的费马原理，利用公式
(1)
设计仿真算法，计算得到全景相机的视场角数据结果，即：
[0022][0023]其中，
a
e
表示安装防水球壳后的视场角，
a
表示未安装防水球壳的视场角，
R
表示防水球壳外径，
D
表示防水球壳壁厚，
n
p
表示防水球壳折射率，
n
w
表示海水折射率；
[0024]3‑
4)
基于等面积小面元光点成像弥散斑算法原理，仿真得到全景相机的成像清晰度数据结果；
[0025]3‑
5)
基于光路追迹的光学几何分析算法原理，利用实际像高与理想像高之间的成像差异，仿真得到全景相机的成像畸变数据结果；
[0026]3‑
6)
完成本组光学仿真模型的仿真计算，返回步骤3‑
1)
进行下一组仿真计算，直到所有光学仿真模型完成仿真计算
。
[0027]步骤1‑
2)
中，所述在建立的未安装防水球壳的全景相机的光学仿真模型基础上，结合防水球壳几何尺寸与材料折射率参数，建立安装防水球壳的水下全景相机的光学仿真模型，其中，建模过程具体为：
[0028]4‑
1)
利用防水球壳和全景相机的几何尺寸参数建立安装防水球壳的水下全景相机的三维模型，设计保证防水球壳的球心与全景相机摄像头的中心装配位置重合；
[0029]4‑
2)
将水下全景相机三维模型导入到光学仿真环境内，依次输入相机焦距
、
光圈
、
视场角和环境介质折射率参数，设置入射光线的角度范围；
[0030]4‑
3)
设计水下全景相机光学仿真模型的可视化界面，设置仿真输出数据的内容格式和保存方式，保存上述过程文件形成安装防水球壳的水下全景相机的光学仿真模型
。
[0031]步骤1‑
2)
中，所述选取防水球壳不同几何尺寸参数建立多组仿真模型用于形成对照组，具体为：
[0032]在水下场景环境中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于光路分析的水下全景相机防水球壳的优化方法，其特征在于，包括以下步骤：1‑
1)
基于全景相机的指标参数，在光学仿真软件中建立未安装防水球壳的全景相机的光学仿真模型，基于该模型进行仿真计算，得到全景相机在模拟空气环境或海水环境下的仿真成像效果，该仿真成像效果用于与安装防水球壳的水下全景相机的仿真结果进行对比；1‑
2)
在步骤1‑
1)
建立的未安装防水球壳的全景相机的光学仿真模型基础上，结合防水球壳几何尺寸与材料折射率，建立安装防水球壳的水下全景相机的光学仿真模型，选取防水球壳不同几何尺寸参数建立多组光学仿真模型，以形成对照组；1‑
3)
利用光学仿真软件对步骤1‑
2)
建立的多组光学仿真模型进行仿真计算，得到水下全景相机在模拟海水环境下的仿真成像效果；所述仿真成像效果，包括：视场角
、
清晰度和畸变；1‑
4)
对步骤1‑
1)
和步骤1‑
3)
得到的多组仿真结果进行对比分析，获得全景相机成像效果与是否安装防水球壳
、
以及防水球壳尺寸参数的关系，并获取多组仿真结果中最优综合成像效果所对应的防水球壳的几何尺寸参数，即作为防水球壳的最优设计参数
。2.
根据权利要求1所述的一种基于光路分析的水下全景相机防水球壳的优化方法，其特征在于，步骤1‑
1)
中，所述在光学仿真软件中建立未安装防水球壳的全景相机的光学仿真模型，其中，建模过程具体为：2‑
1)
利用全景相机的几何尺寸参数建立全景相机的三维模型；所述全景相机几何尺寸参数包括：相机外形尺寸
、
镜头曲率
、
镜头轴线位置和感光靶面轴线位置；2‑
2)
将全景相机三维模型导入到光学仿真环境内，依次输入相机焦距
、
光圈
、
视场角和环境介质折射率参数，设置入射光线的角度范围；所述环境介质折射率参数，包括：海水
、
空气和防水球壳折射率参数；2‑
3)
设计全景相机光学仿真模型的可视化界面，设置仿真输出数据的内容格式和保存方式，保存上述过程文件形成未安装防水球壳的全景相机的光学仿真模型
。3.
根据权利要求1所述的一种基于光路分析的水下全景相机防水球壳的优化方法，其特征在于，步骤1‑
1)
中，所述基于该模型进行仿真计算，得到全景相机在模拟空气环境或海水环境下的仿真成像效果，其中，仿真计算过程具体为：3‑
1)
调用已建立的全景相机的光学仿真模型，并在可视化界面内检查模型的正确性；3‑
2)
输入仿真计算初始参数，其中，仿真计算初始参数包括：可见光波长范围
、
计算求解精度和仿真时间；3‑
3)
基于光在介质中传播的费马原理，利用公式
(1)
设计仿真算法，计算得到全景相机的视场角数据结果，即：其中，
a
e
表示安装防水球壳后的视场角，
a
表示未安装防水球壳的视场角，
R
表示防水球
壳外径，
D
表示防水球壳壁厚，
n
p
表示防水球壳折射率，
n
w
表示海水折射率；3‑
4)
基于等面积小面元光点成像弥散斑算法原理，仿真得到全景相机的成像清晰度数据结果；3‑
5)
基于光路追迹的光学几何分析算法原理，利用实际像高与理想像高之间的成像差异，仿真得到全景相机的成像畸变数据结果；3‑
6)
完成本组光学仿真模型的仿真计算，返回步骤3‑
1)
进行下一组仿真计算，直到所有光学仿真模型完成仿真计算
。4.
根据权利要求1所述的一种基于光路分析的水下全景相机防水球壳的优化方法，其特征在于，步骤1‑
2)
中，所述在建立的未安装防水球壳的全景相机的光学仿真模型基础上，结合防水球壳几何尺寸与材料折射率参数，建立安装防水球壳的水下全景相机的光学仿真模型，其中，建模过程具体为：4‑
1)
利用防水球壳和全景相机的几何尺寸参数建立安装防水球壳的水下全景相机的三维模型...

【专利技术属性】
技术研发人员：白云飞，张奇峰，张运修，范云龙，刘涛，陈言壮，
申请(专利权)人：中国科学院沈阳自动化研究所，
类型：发明
国别省市：