渾水中模型地形的可視化測(cè)量與三維重建方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種渾水中模型地形的可視化測(cè)量與三維重建方法，首先利用B超儀直接獲取水下模型地形的視頻圖像文件并解析出單幀B超圖像；然后根據(jù)B超圖像中地形亮帶的灰度和梯度特征(存在一個(gè)突變過(guò)程)以及模型地形的在水平方向的連續(xù)性，一次性實(shí)現(xiàn)單幀圖像中地形邊界線的單像素提??；再根據(jù)連續(xù)多幀圖像中地形線之間的相似性進(jìn)行三次樣條函數(shù)插值重建了水下三維地形。該方法穿透性好、自適應(yīng)性強(qiáng)，適用于塑料沙、天然沙、煤粉灰、電木粉等水下模型地形；運(yùn)行速度快，單次運(yùn)行時(shí)間少于0.1秒；測(cè)量精度高，單次測(cè)量和重建后的水下地形誤差均小于1毫末；直觀可視，高效快捷，并且有效消除了水中無(wú)關(guān)運(yùn)動(dòng)懸浮顆粒的成像干擾，再現(xiàn)了水下地形原貌。
【專(zhuān)利說(shuō)明】渾水中模型地形的可視化測(cè)量與三維重建方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專(zhuān)利屬于水工模型地形測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種渾水中模型地形的可
視化測(cè)量與三維重建方法。
【背景技術(shù)】
[0002]河工模型實(shí)驗(yàn)是人們認(rèn)識(shí)和研究河流水沙運(yùn)動(dòng)、演變和洪水演進(jìn)規(guī)律的重要的手段。模型試驗(yàn)中，水下地形的實(shí)時(shí)觀測(cè)與分析對(duì)研究河道淤積與水流沖刷具有重要的意義。為了準(zhǔn)確獲取模型試驗(yàn)中水下地形及其沖淤變化等信息，這就需要尋找一種對(duì)水下地形信息進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)和分析的裝置。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了多種測(cè)量?jī)x器用于對(duì)河工模型地形的測(cè)量，如光電反射式地形儀、電阻式地形儀、跟蹤地形儀、超聲地形儀、激光掃描儀等儀器，目前，這些地形儀大多是點(diǎn)式測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)水下模型地形、特別是對(duì)動(dòng)床模型試驗(yàn)中渾濁水流情況下的水下模型地形，進(jìn)行非接觸式的多點(diǎn)在線實(shí)時(shí)圖像測(cè)量與三維重建分析。
[0003]隨著B(niǎo)超成像技術(shù)及其應(yīng)用的不斷發(fā)展，B超儀也逐步進(jìn)入了水利水電領(lǐng)域的模型實(shí)驗(yàn)測(cè)量研究當(dāng)中。基于高頻超聲波回波成像原理的B超儀，指向性好，分辨率高，已經(jīng)具備了對(duì)水下微小顆粒及其水下地形的成像識(shí)別能力。在模型實(shí)驗(yàn)中，利用B超儀對(duì)水下地形進(jìn)行成像觀測(cè)，可以直接得到水下斷面地形的有關(guān)信息，并且不受光照穩(wěn)定等條件影響適用于各種條件下的模型地形，比如塑料沙、天然沙、煤粉灰、電木粉等水下模型地形。這為水下地形的多點(diǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量與三維重建提供了一種新的途徑?；诖耍景l(fā)明提出一種基于B超成像的水下模型地形的可視化測(cè)量與三維重建方法，再現(xiàn)了水下地形原貌及其沖刷淤積變化過(guò)程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出一種基于B超成像的水下模型地形的可視化測(cè)量與三維重建方法，利用基于水槽、B超儀、三維行走平臺(tái)、計(jì)算機(jī)的水下地形成像與處理系統(tǒng)，進(jìn)行基于B超圖像的自適應(yīng)水下地形的快速提取以及基于地形線的水下地形可視化測(cè)量與三維重建；具體包括以下步驟，
[0005]步驟1、B超儀的探頭與水槽內(nèi)的水面接觸并進(jìn)行成像獲得水下地形的視頻圖像；計(jì)算機(jī)控制三維行走平臺(tái)帶動(dòng)B超探頭在水槽上的進(jìn)行上下、左右、前后三維方向上的運(yùn)動(dòng)；
[0006]步驟2、B超儀對(duì)水下地形的成像存在一個(gè)突變過(guò)程，形成一條水平方向連續(xù)延伸的地形亮帶，采用灰度幅值與梯度之和作為地形邊界處的判斷依據(jù)，再根據(jù)地形在水平方向的連續(xù)性，進(jìn)行連續(xù)跟蹤搜索，依次提取出水下地形邊界線，一次性實(shí)現(xiàn)單像素地形線的自適應(yīng)跟蹤與快速提?。?br> [0007]步驟3、標(biāo)定單個(gè)像素點(diǎn)所代表的實(shí)際距離，并把水下地形線轉(zhuǎn)化為真實(shí)坐標(biāo)距離；多條地形線之間再進(jìn)行三次樣條函數(shù)插值，實(shí)現(xiàn)水下模型地形的可視化測(cè)量與三維重建。
[0008]所述步驟2包括以下內(nèi)容:
[0009]步驟2.1、根據(jù)突變過(guò)程及其灰度和梯度，確定跟蹤起點(diǎn)0(1。，J0)；
[0010]步驟2.2、結(jié)合亮帶的水平方向的連續(xù)性，向左向右連續(xù)跟蹤提取地形邊界線；
[0011]步驟2.3、地形線進(jìn)行小波去噪平滑處理。
[0012]所述步驟2.1中，確定跟蹤起點(diǎn)0(1。，J0)采用公式⑴實(shí)現(xiàn):
【權(quán)利要求】
1.一種渾水中模型地形的可視化測(cè)量與三維重建方法，其特征在于:利用基于水槽、B超儀、三維行走平臺(tái)、計(jì)算機(jī)的水下地形成像與處理系統(tǒng)，進(jìn)行基于B超圖像的自適應(yīng)水下地形的快速提取以及基于地形線的水下地形可視化測(cè)量與三維重建；具體包括以下步驟: 步驟1、B超儀的探頭與水槽內(nèi)的水面接觸并進(jìn)行成像獲得水下地形的視頻圖像；計(jì)算機(jī)控制三維行走平臺(tái)帶動(dòng)B超探頭在水槽上的進(jìn)行上下、左右、前后三維方向上的運(yùn)動(dòng)； 步驟2、B超儀對(duì)水下地形的成像存在一個(gè)突變過(guò)程，形成一條水平方向連續(xù)延伸的地形亮帶，采用灰度幅值與梯度之和作為地形邊界處的判斷依據(jù)，再根據(jù)地形在水平方向的連續(xù)性，進(jìn)行連續(xù)跟蹤搜索，依次提取出水下地形邊界線，一次性實(shí)現(xiàn)單像素地形線的自適應(yīng)跟蹤與快速提取； 步驟3、標(biāo)定單個(gè)像素點(diǎn)所代表的實(shí)際距離，并把水下地形線轉(zhuǎn)化為真實(shí)坐標(biāo)距離；多條地形線之間再進(jìn)行三次樣條函數(shù)插值，獲取三維地形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水下模型地形的可視化測(cè)量與三維重建。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渾水中模型地形的可視化測(cè)量與三維重建方法，其特征在于:所述步驟2包括以下內(nèi)容: 步驟2.1、根據(jù)突變過(guò)程及其灰度和梯度，確定跟蹤起點(diǎn)0(1。，J0)； 步驟2.2、結(jié)合亮帶的水平方向的連續(xù)性，向左向右連續(xù)跟蹤提取地形邊界線； 步驟2.3、地形線進(jìn)行小波去噪平滑處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種渾水中模型地形的可視化測(cè)量與三維重建方法，其特征在于:所述步驟2.1中，確定跟蹤起點(diǎn)0(1。，J0)采用公式(I)實(shí)現(xiàn):
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種渾水中模型地形的可視化測(cè)量與三維重建方法，其特征在于:所述步驟2.2中，向左向右連續(xù)跟蹤提取邊界點(diǎn)采用公式(2)、公式(3)和公式(4)實(shí)現(xiàn):
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種渾水中模型地形的可視化測(cè)量與三維重建方法，其特征在于:所述步驟3中，三維地形數(shù) 據(jù)的獲取采用分段掃描和連續(xù)掃描兩種掃描方式中的一種。
【文檔編號(hào)】G06T17/00GK104008572SQ201410270306
【公開(kāi)日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月17日
【發(fā)明者】鄒先堅(jiān), 馬志敏, 宋歡, 杜劍鋒, 胡文斌 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)