【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水下激光图像拍摄，特别是涉及一种水下混凝土缺陷三维重建系统及其重建方法。
技术介绍
1、水利工程、桥梁港口以及输水隧道等基础设施承载着人类对水资源的开发利用和生命财产安全的重要责任。然而，长期以来，这些水下混凝土结构在面对地震、地质 灾害以及洪涝等自然灾害时，往往会出现各种缺陷，如裂缝、冲刷、磨损和钢筋暴露等，严重威胁到工程的安全运行。因此，及时准确地进行缺陷检测和隐患排查显得尤为紧迫。然而，目前市场上尚未出现一种能够充分利用双目相机和线激光技术进行融合的水下三维重建图像采集设备。现有的水下相机设备通常只能提供双目相机或线激光功能，而无法同时实现二者的融合，从而限制了水下三维重建的效果和应用范围。
技术实现思路
1、本专利技术旨在提供了一种水下混凝土缺陷三维重建系统及其重建方法，解决了现有的水下相机设备限制了水下三维重建的效果，导致水下混凝土缺陷精度低的问题。
2、为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
3、提供了一种水下混凝土缺陷三维重建系统，其包括水箱、步进电机扫描系统、水下图像采集设备、系统参数标定系统和三维激光点云重建系统；
4、水箱的顶部具有开口，底部为封闭结构，水箱的底部上设置有拍摄窗口；水下图像采集设备设置于步进电机扫描系统上，水下图像采集设备位于水箱的内部且拍摄方向朝向拍摄窗口，步进电机扫描系统带动水下图像采集设备在水箱的内部水平往复直线运动；
5、水下图像采集设备包括两个相机和一个激光
6、系统参数标定系统用于标定水下图像采集设备的参数；
7、三维激光点云重建系统用于将带有强特征激光的水下混凝土缺陷图像转换为三维点云数据，并通过彩色相机对三维点云数据着色，实现三维重建。
8、本专利技术中一种水下混凝土缺陷三维重建系统的基本原理为：步进电机扫描系统带动水下图像采集设备在水箱的内部水平往复直线运动，可以获得范围更广的拍摄角度，且水下图像采集设备拍摄得到带有强特征激光的水下混凝土缺陷图像，而系统参数标定系统和三维激光点云重建系统根据带有强特征激光的水下混凝土缺陷图像生成三维点云数据，并对三维点云数据着色，实现水下混凝土缺陷的三维重建，极大提升了水下混凝土缺陷的检测效率和检测精度，解决了现有的水下相机设备限制了水下三维重建的效果，导致水下混凝土缺陷精度低的问题。
9、进一步地，作为步进电机扫描系统的一种具体设置方式，步进电机扫描系统包括设置于水箱顶部的安装架，安装架内转动设置有丝杆，丝杆上螺纹连接有一块滑块；安装架的一侧设置有步进电机，步进电机的输出端通过联轴器与丝杆的一端固定连接；滑块上竖直设置有一个安装支架，安装支架的顶部与滑块固定连接，安装支架的底部位于水箱底部；水下图像采集设备与安装支架的底部固定连接。
10、步进电机扫描系统带动水下图像采集设备在水箱的内部水平往复直线运动的过程为：通过启动步进电机带动丝杆旋转，旋转的丝杆驱动滑块沿丝杆的长度方向往复直线移动，进而带动与滑块固定连接的安装支架以及与安装支架固定连接的水下图像采集设备在水箱的内部水平往复直线运动，使得水下图像采集设备拍摄范围更广，使水下图像采集设备能完整扫描目标并得到对应不同位置的图像。
11、进一步地，作为水下图像采集设备的一种具体设置方式，水下图像采集设备包括双目舱体和航空插头，双目舱体与安装支架的底部固定连接；双目舱体包括中间舱体，中间舱体的两侧倾斜设置有两个相机舱体，两个相机舱体对称布置；每个相机舱体的前端均设置有相机前视玻璃，每个相机舱体内均设置有一个相机，每个相机的前端均设置有一个拍摄方向朝向相机前视玻璃的镜头；
12、中间舱体的正面中部设置有激光前视玻璃，中间舱体的内部设置有一个朝向激光前视玻璃方向发射激光线的激光发射器；激光发射器的发射方向与每个相机的拍摄方向之间的夹角为锐角；
13、航空插头密封连接于中间舱体的舱壁上，位于中间舱体内的航空插头与激光发射器和相机电性连接，位于中间舱体外的航空插头与电源、系统参数标定系统和三维激光点云重建系统电性连接；
14、两个相机和一个激光发射器的照射方向均朝向拍摄窗口。
15、在上述技术方案中，通过在中间舱体两侧设置两个相机舱体，并在中间舱体设置激光发射器以及在相机舱体内设置相机，实现将双目相机和线激光技术集合在一套设备上，双目相机融合线激光实现水下图像拍摄功能，实现高精度、高稳定性的水下三维重建，从而满足海洋工程、海洋科学等领域对水下三维数据获取的需求，解决了现有水下相机设备，无法同时实现双目相机和线激光功能，从而限制了水下三维重建的效果和应用范围的问题。
16、进一步地，中间舱体和两个相机舱体连通，中间舱体的背面密封可拆卸设置有一块后盖板，航空插头密封连接于后盖板上；每个相机舱体的后端均密封可拆卸设置有一块后端密封盖；后盖板和后端密封盖的设置，可以便于激光发射器和相机的装配和后续拆卸维修。
17、相机前视玻璃和激光前视玻璃均通过安装件分别与相机舱体的前端和中间舱体的正面密封连接，安装件呈圆环结构，安装件上以自身轴线为中心环向间隔均匀设置有多个螺栓连接件。
18、进一步地，每个相机舱体均设置有一个相机固定块，每个相机固定块均一端具有开口，另一端密封的中空方柱结构，相机固定块具有开口的一端朝向相机前视玻璃布置，相机固定块的另一端与后端密封盖的内壁固定连接；相机固定设置于相机固定块的内部；
19、相机与相机固定块之间活动配合，相机固定块的侧壁上开设置有长条孔，长条孔沿相机舱体的长度方向设置，长条孔内设置有用于锁紧相机的螺栓锁紧件。
20、在上述技术方案中，可以实现对相机在相机固定块内位置的调整，调整相机上镜头与相机前视玻璃之间的距离，并在距离调整后通过拧动螺栓锁紧件实现相机和镜头当前位置的固定，以适应不同型号相机的使用，提高整个水下三维重建图像采集设备的使用灵活性。
21、进一步地，中间舱体的内部设置有用于固定激光发射器的激光固定块，激光固定块的后端与后盖板密封连接，提升了激光器安装和激光使用的稳定性；后盖板和后端密封盖的连接端面上均设置有防水胶条，防水胶条用于防水处理，在水下图像采集设备在水下拍摄时，避免水进入到设备内部而造成故障。
22、本专利技术还提供一种水下混凝土缺陷三维重建系统的重建方法，其包括：
23、步骤1、通过水下图像采集设备获取多幅不同位姿且带有强特征激光的水下混凝土缺陷图像，并通过高斯滤波消除多幅图像的噪声，然后根据空气与水下光线折射模型对多幅图像进行水中图像视场坐标还原，获得多幅图像空气中的视场坐标；
24、步骤2、系统参数标定系统采用张氏标定法对水下图像采集设备中的两个所述相机进行内参表标定；
25、步骤3、分别对多幅不同位姿且带有强特征激光的水下混凝土缺陷图像提取激光条纹的二维坐标；
【技术保护点】
1.一种水下混凝土缺陷三维重建系统，其特征在于，包括水箱、步进电机扫描系统、水下图像采集设备、系统参数标定系统和三维激光点云重建系统；
2.根据权利要求1所述的水下混凝土缺陷三维重建系统，其特征在于，所述步进电机扫描系统包括设置于所述水箱顶部的安装架，所述安装架内转动设置有丝杆，所述丝杆上螺纹连接有一块滑块；安装架的一侧设置有步进电机，所述步进电机的输出端通过联轴器与丝杆的一端固定连接；所述滑块上竖直设置有一个安装支架，所述安装支架的顶部与滑块固定连接，安装支架的底部位于水箱底部；所述水下图像采集设备与安装支架的底部固定连接。
3.根据权利要求2所述的水下混凝土缺陷三维重建系统，其特征在于，所述水下图像采集设备包括双目舱体和航空插头，所述双目舱体与所述安装支架的底部固定连接；双目舱体包括中间舱体，所述中间舱体的两侧倾斜设置有两个相机舱体，两个所述相机舱体对称布置；每个相机舱体的前端均设置有相机前视玻璃，每个相机舱体内均设置有一个所述相机，每个所述相机的前端均设置有一个拍摄方向朝向所述相机前视玻璃的镜头；
4.根据权利要求3所述的水下混凝土缺陷三
5.根据权利要求4所述的水下混凝土缺陷三维重建系统，其特征在于，所述每个所述相机舱体均设置有一个相机固定块，每个所述相机固定块均一端具有开口，另一端密封的中空方柱结构，相机固定块具有开口的一端朝向相机前视玻璃布置，相机固定块的另一端与所述后端密封盖的内壁固定连接；所述相机固定设置于相机固定块的内部；
6.根据权利要求5所述的水下混凝土缺陷三维重建系统，其特征在于，所述中间舱体的内部设置有用于固定激光发射器的激光固定块，所述激光固定块的后端与所述后盖板密封连接；所述后盖板和后端密封盖的连接端面上均设置有防水胶条。
7.一种根据权利要求1~6任一所述的水下混凝土缺陷三维重建系统的重建方法，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种水下混凝土缺陷三维重建系统，其特征在于，包括水箱、步进电机扫描系统、水下图像采集设备、系统参数标定系统和三维激光点云重建系统；
2.根据权利要求1所述的水下混凝土缺陷三维重建系统，其特征在于，所述步进电机扫描系统包括设置于所述水箱顶部的安装架，所述安装架内转动设置有丝杆，所述丝杆上螺纹连接有一块滑块；安装架的一侧设置有步进电机，所述步进电机的输出端通过联轴器与丝杆的一端固定连接；所述滑块上竖直设置有一个安装支架，所述安装支架的顶部与滑块固定连接，安装支架的底部位于水箱底部；所述水下图像采集设备与安装支架的底部固定连接。
3.根据权利要求2所述的水下混凝土缺陷三维重建系统，其特征在于，所述水下图像采集设备包括双目舱体和航空插头，所述双目舱体与所述安装支架的底部固定连接；双目舱体包括中间舱体，所述中间舱体的两侧倾斜设置有两个相机舱体，两个所述相机舱体对称布置；每个相机舱体的前端均设置有相机前视玻璃，每个相机舱体内均设置有一个所述相机，每个所述相机的前端均设置有一个拍摄方向朝向所述相机前视玻璃的镜头；
4.根据权利要求3所述的水下混凝土缺陷三维重建系...
【专利技术属性】
技术研发人员：李永龙，陈永灿，万刚，康飞，王皓冉，朱思思，喻明，李佳龙，陈海澜，谢辉，
申请(专利权)人：清华四川能源互联网研究院，
类型：发明
国别省市：
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