【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于水下激光圖像拍攝，特別是涉及一種水下混凝土缺陷三維重建系統及其重建方法。
技術介紹
1、水利工程、橋梁港口以及輸水隧道等基礎設施承載著人類對水資源的開發利用和生命財產安全的重要責任。然而，長期以來，這些水下混凝土結構在面對地震、地質?災害以及洪澇等自然災害時，往往會出現各種缺陷，如裂縫、沖刷、磨損和鋼筋暴露等，嚴重威脅到工程的安全運行。因此，及時準確地進行缺陷檢測和隱患排查顯得尤為緊迫。然而，目前市場上尚未出現一種能夠充分利用雙目相機和線激光技術進行融合的水下三維重建圖像采集設備?，F有的水下相機設備通常只能提供雙目相機或線激光功能，而無法同時實現二者的融合，從而限制了水下三維重建的效果和應用范圍。
技術實現思路
1、本專利技術旨在提供了一種水下混凝土缺陷三維重建系統及其重建方法，解決了現有的水下相機設備限制了水下三維重建的效果，導致水下混凝土缺陷精度低的問題。
2、為了達到上述專利技術目的，本專利技術采用的技術方案如下：
3、提供了一種水下混凝土缺陷三維重建系統，其包括水箱、步進電機掃描系統、水下圖像采集設備、系統參數標定系統和三維激光點云重建系統；
4、水箱的頂部具有開口，底部為封閉結構，水箱的底部上設置有拍攝窗口；水下圖像采集設備設置于步進電機掃描系統上，水下圖像采集設備位于水箱的內部且拍攝方向朝向拍攝窗口，步進電機掃描系統帶動水下圖像采集設備在水箱的內部水平往復直線運動；
5、水下圖像采集設備包括兩個相機和一個激光
6、系統參數標定系統用于標定水下圖像采集設備的參數；
7、三維激光點云重建系統用于將帶有強特征激光的水下混凝土缺陷圖像轉換為三維點云數據，并通過彩色相機對三維點云數據著色，實現三維重建。
8、本專利技術中一種水下混凝土缺陷三維重建系統的基本原理為：步進電機掃描系統帶動水下圖像采集設備在水箱的內部水平往復直線運動，可以獲得范圍更廣的拍攝角度，且水下圖像采集設備拍攝得到帶有強特征激光的水下混凝土缺陷圖像，而系統參數標定系統和三維激光點云重建系統根據帶有強特征激光的水下混凝土缺陷圖像生成三維點云數據，并對三維點云數據著色，實現水下混凝土缺陷的三維重建，極大提升了水下混凝土缺陷的檢測效率和檢測精度，解決了現有的水下相機設備限制了水下三維重建的效果，導致水下混凝土缺陷精度低的問題。
9、進一步地，作為步進電機掃描系統的一種具體設置方式，步進電機掃描系統包括設置于水箱頂部的安裝架，安裝架內轉動設置有絲桿，絲桿上螺紋連接有一塊滑塊；安裝架的一側設置有步進電機，步進電機的輸出端通過聯軸器與絲桿的一端固定連接；滑塊上豎直設置有一個安裝支架，安裝支架的頂部與滑塊固定連接，安裝支架的底部位于水箱底部；水下圖像采集設備與安裝支架的底部固定連接。
10、步進電機掃描系統帶動水下圖像采集設備在水箱的內部水平往復直線運動的過程為：通過啟動步進電機帶動絲桿旋轉，旋轉的絲桿驅動滑塊沿絲桿的長度方向往復直線移動，進而帶動與滑塊固定連接的安裝支架以及與安裝支架固定連接的水下圖像采集設備在水箱的內部水平往復直線運動，使得水下圖像采集設備拍攝范圍更廣，使水下圖像采集設備能完整掃描目標并得到對應不同位置的圖像。
11、進一步地，作為水下圖像采集設備的一種具體設置方式，水下圖像采集設備包括雙目艙體和航空插頭，雙目艙體與安裝支架的底部固定連接；雙目艙體包括中間艙體，中間艙體的兩側傾斜設置有兩個相機艙體，兩個相機艙體對稱布置；每個相機艙體的前端均設置有相機前視玻璃，每個相機艙體內均設置有一個相機，每個相機的前端均設置有一個拍攝方向朝向相機前視玻璃的鏡頭；
12、中間艙體的正面中部設置有激光前視玻璃，中間艙體的內部設置有一個朝向激光前視玻璃方向發射激光線的激光發射器；激光發射器的發射方向與每個相機的拍攝方向之間的夾角為銳角；
13、航空插頭密封連接于中間艙體的艙壁上，位于中間艙體內的航空插頭與激光發射器和相機電性連接，位于中間艙體外的航空插頭與電源、系統參數標定系統和三維激光點云重建系統電性連接；
14、兩個相機和一個激光發射器的照射方向均朝向拍攝窗口。
15、在上述技術方案中，通過在中間艙體兩側設置兩個相機艙體，并在中間艙體設置激光發射器以及在相機艙體內設置相機，實現將雙目相機和線激光技術集合在一套設備上，雙目相機融合線激光實現水下圖像拍攝功能，實現高精度、高穩定性的水下三維重建，從而滿足海洋工程、海洋科學等領域對水下三維數據獲取的需求，解決了現有水下相機設備，無法同時實現雙目相機和線激光功能，從而限制了水下三維重建的效果和應用范圍的問題。
16、進一步地，中間艙體和兩個相機艙體連通，中間艙體的背面密封可拆卸設置有一塊后蓋板，航空插頭密封連接于后蓋板上；每個相機艙體的后端均密封可拆卸設置有一塊后端密封蓋；后蓋板和后端密封蓋的設置，可以便于激光發射器和相機的裝配和后續拆卸維修。
17、相機前視玻璃和激光前視玻璃均通過安裝件分別與相機艙體的前端和中間艙體的正面密封連接，安裝件呈圓環結構，安裝件上以自身軸線為中心環向間隔均勻設置有多個螺栓連接件。
18、進一步地，每個相機艙體均設置有一個相機固定塊，每個相機固定塊均一端具有開口，另一端密封的中空方柱結構，相機固定塊具有開口的一端朝向相機前視玻璃布置，相機固定塊的另一端與后端密封蓋的內壁固定連接；相機固定設置于相機固定塊的內部；
19、相機與相機固定塊之間活動配合，相機固定塊的側壁上開設置有長條孔，長條孔沿相機艙體的長度方向設置，長條孔內設置有用于鎖緊相機的螺栓鎖緊件。
20、在上述技術方案中，可以實現對相機在相機固定塊內位置的調整，調整相機上鏡頭與相機前視玻璃之間的距離，并在距離調整后通過擰動螺栓鎖緊件實現相機和鏡頭當前位置的固定，以適應不同型號相機的使用，提高整個水下三維重建圖像采集設備的使用靈活性。
21、進一步地，中間艙體的內部設置有用于固定激光發射器的激光固定塊，激光固定塊的后端與后蓋板密封連接，提升了激光器安裝和激光使用的穩定性；后蓋板和后端密封蓋的連接端面上均設置有防水膠條，防水膠條用于防水處理，在水下圖像采集設備在水下拍攝時，避免水進入到設備內部而造成故障。
22、本專利技術還提供一種水下混凝土缺陷三維重建系統的重建方法，其包括：
23、步驟1、通過水下圖像采集設備獲取多幅不同位姿且帶有強特征激光的水下混凝土缺陷圖像，并通過高斯濾波消除多幅圖像的噪聲，然后根據空氣與水下光線折射模型對多幅圖像進行水中圖像視場坐標還原，獲得多幅圖像空氣中的視場坐標；
24、步驟2、系統參數標定系統采用張氏標定法對水下圖像采集設備中的兩個所述相機進行內參表標定；
25、步驟3、分別對多幅不同位姿且帶有強特征激光的水下混凝土缺陷圖像提取激光條紋的二維坐標；
【技術保護點】
1.一種水下混凝土缺陷三維重建系統，其特征在于，包括水箱、步進電機掃描系統、水下圖像采集設備、系統參數標定系統和三維激光點云重建系統；
2.根據權利要求1所述的水下混凝土缺陷三維重建系統，其特征在于，所述步進電機掃描系統包括設置于所述水箱頂部的安裝架，所述安裝架內轉動設置有絲桿，所述絲桿上螺紋連接有一塊滑塊；安裝架的一側設置有步進電機，所述步進電機的輸出端通過聯軸器與絲桿的一端固定連接；所述滑塊上豎直設置有一個安裝支架，所述安裝支架的頂部與滑塊固定連接，安裝支架的底部位于水箱底部；所述水下圖像采集設備與安裝支架的底部固定連接。
3.根據權利要求2所述的水下混凝土缺陷三維重建系統，其特征在于，所述水下圖像采集設備包括雙目艙體和航空插頭，所述雙目艙體與所述安裝支架的底部固定連接；雙目艙體包括中間艙體，所述中間艙體的兩側傾斜設置有兩個相機艙體，兩個所述相機艙體對稱布置；每個相機艙體的前端均設置有相機前視玻璃，每個相機艙體內均設置有一個所述相機，每個所述相機的前端均設置有一個拍攝方向朝向所述相機前視玻璃的鏡頭；
4.根據權利要求3所述的水下混凝土缺陷三
5.根據權利要求4所述的水下混凝土缺陷三維重建系統，其特征在于，所述每個所述相機艙體均設置有一個相機固定塊，每個所述相機固定塊均一端具有開口，另一端密封的中空方柱結構，相機固定塊具有開口的一端朝向相機前視玻璃布置，相機固定塊的另一端與所述后端密封蓋的內壁固定連接；所述相機固定設置于相機固定塊的內部；
6.根據權利要求5所述的水下混凝土缺陷三維重建系統，其特征在于，所述中間艙體的內部設置有用于固定激光發射器的激光固定塊，所述激光固定塊的后端與所述后蓋板密封連接；所述后蓋板和后端密封蓋的連接端面上均設置有防水膠條。
7.一種根據權利要求1~6任一所述的水下混凝土缺陷三維重建系統的重建方法，其特征在于，包括：
...【技術特征摘要】
1.一種水下混凝土缺陷三維重建系統，其特征在于，包括水箱、步進電機掃描系統、水下圖像采集設備、系統參數標定系統和三維激光點云重建系統；
2.根據權利要求1所述的水下混凝土缺陷三維重建系統，其特征在于，所述步進電機掃描系統包括設置于所述水箱頂部的安裝架，所述安裝架內轉動設置有絲桿，所述絲桿上螺紋連接有一塊滑塊；安裝架的一側設置有步進電機，所述步進電機的輸出端通過聯軸器與絲桿的一端固定連接；所述滑塊上豎直設置有一個安裝支架，所述安裝支架的頂部與滑塊固定連接，安裝支架的底部位于水箱底部；所述水下圖像采集設備與安裝支架的底部固定連接。
3.根據權利要求2所述的水下混凝土缺陷三維重建系統，其特征在于，所述水下圖像采集設備包括雙目艙體和航空插頭，所述雙目艙體與所述安裝支架的底部固定連接；雙目艙體包括中間艙體，所述中間艙體的兩側傾斜設置有兩個相機艙體，兩個所述相機艙體對稱布置；每個相機艙體的前端均設置有相機前視玻璃，每個相機艙體內均設置有一個所述相機，每個所述相機的前端均設置有一個拍攝方向朝向所述相機前視玻璃的鏡頭；
4.根據權利要求3所述的水下混凝土缺陷三維重建系...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李永龍，陳永燦，萬剛，康飛，王皓冉，朱思思，喻明，李佳龍，陳海瀾，謝輝，
申請(專利權)人：清華四川能源互聯網研究院，
類型：發明
國別省市：
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