波浪三维高度场的图像重构方法及图像重构试验系统

摘要

本发明涉及一种波浪三维高度场的图像重构方法及图像重构试验系统。该方法包括如下步骤：步骤一，水面预处理，使用二氧化钛将目标试验区域的水面染成白色；步骤二，随机生成迷彩图形，并利用投影仪将迷彩图形投影至目标试验区域的水面；步骤三，制造波浪，使用两个重构相机从目标试验区域的上方采集目标试验区域的重构用图像，同时使用两个验证相机从目标试验区域的侧方采集目标试验区域的验证用图像；步骤四，采用归一化互相关算法对重构用图像进行问询匹配，并得到在原始坐标系下的初步重构图像；步骤五，坐标变换，将原始坐标系变换到目标坐标系；步骤六，重构结果验证。根据本发明的图像重构方法的重构精度高、空间分辨率高。

权利要求

1.一种波浪三维高度场的图像重构方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，水面预处理，使用二氧化钛将目标试验区域的水面染成白色；

步骤二，对目标试验区域进行投影，随机生成迷彩图形，并利用投影仪将所述迷彩图形投影至所述目标试验区域的水面；

步骤三，制造波浪，使用两个重构相机从所述目标试验区域的上方采集所述目标试验区域的重构用图像，同时使用两个验证相机从所述目标试验区域的侧方采集所述目标试验区域的验证用图像；

步骤四，采用归一化互相关算法对所述重构用图像进行问询匹配，并计算匹配点的空间点坐标，得到在原始坐标系下的初步重构图像；

步骤五，坐标变换，将原始坐标系变换到目标坐标系，得到目标坐标系中的最终重构图像；

步骤六，重构结果验证，基于所述验证用图像得到目标坐标系中的最终验证图像，将所述最终重构图像与所述最终验证图像进行比较，确认图像重构的精度。

2.根据权利要求1所述的图像重构方法，其特征在于，在进行试验之前，对所述重构相机进行标定以获得相机内外参数和镜头畸变系数，对所述验证相机进行标定以得到所述验证用图像的比例尺。

3.根据权利要求2所述的图像重构方法，其特征在于，在所述步骤四之前，对所述重构用图像基于所述镜头畸变系数进行去除畸变操作，且基于所述相机内外参数进行极线校正操作。

4.根据权利要求1所述的图像重构方法，其特征在于，在所述步骤四之前，对所述重构用图像进行预处理以降低局部的亮度。

5.根据权利要求1所述的图像重构方法，其特征在于，在所述步骤四中，在进行所述问询匹配之前，对所述重构用图像中的明显特征点进行预匹配以获得预估计问询范围，所述问询匹配基于所述预估计问询范围进行。

6.根据权利要求1所述的图像重构方法，其特征在于，在所述问询匹配中，进行网格迭代多次问询匹配。

7.根据权利要求1所述的图像重构方法，其特征在于，在任意连续两帧的重构用图像的问询匹配中，后一帧重构用图像的首次问询匹配在以前一帧重构用图像的匹配位置为中心的预定范围内进行。

8.根据权利要求7所述的图像重构方法，其特征在于，所述预定范围为列向10个像素内、行向1个像素内。

9.根据权利要求1所述的图像重构方法，其特征在于，通过重构静水平面和重构特征标识物获得原始坐标系向目标坐标系变换的变换方式，且使得所述重构相机与所述验证相机两个测量系统能够共享目标坐标系。

10.用于实现权利要求1至9中任一项所述的图像重构方法的图像重构试验系统，其特征在于，所述图像重构试验系统包括：水池；

造波机构，用于在所述水池内产生波浪；

投影仪，用于将所述迷彩图形投影至所述水池的水面；

重构相机，设置于所述水池上方，用于获取所述重构用图像；

验证相机，设置于所述水池的侧面，用于获取所述验证用图像；

控制机构，包括数据处理单元，所述数据处理单元用于对所述重构用图像进行图像处理而得到所述最终重构图像，且用于对所述验证用图像进行图像处理而得到所述最终验证图像。

说明书

波浪三维高度场的图像重构方法及图像重构试验系统

技术领域

[0001] 本发明涉及海洋工程领域，尤其涉及一种波浪三维高度场的图像重构方法及图像重构试验系统。

背景技术

[0002] 波浪传播的演化规律是流体力学研究中的一个重要方向，是所有海洋工程问题的必要考虑因素之一。如何明晰波浪传播时波面高度的演化规律则是流体力学研究的一项重
要问题。传统的波浪高度测量仪器为浪高仪，浪高仪是单点式侵入测量，不仅不利于进行大
范围的波面高度测量，当波浪发生破碎时，由浪高仪的工作原理可知其无法测量不连续的
水面。作为非侵入式的全场测量技术，以双目视觉为代表的基于光学图像方法的图像三维
重构技术，无疑是波浪高度测量的一个可靠选择。

[0003] 公告号为“CN105136108B”的专利公开了一种基于立体视觉高精度波浪浪高测量方法，其属于一种基于光学图像方法的图像三维重构技术。但是，该专利中使用纳米气泡机
将水面变成乳白色，这样使得水中会悬浮大量汽泡而对波浪的传播造成无法忽视的影响，
此外，该专利中利用投影仪将黑白多边形网格图案投影到水面上，采用尺度不变特征
(sift)算法提取水面特征点，该方法的空间分辨率有限。因此，该专利中的图像三维重构方
法存在精度和空间分辨率相对不高的问题。

发明内容

[0004] 基于现有技术中的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种波浪三维高度场的图像重构方法及图像重构试验系统，其能够大大提高波浪三维高度场的重构精度和空间分辨
率，且能够对重构结果进行重构精度验证。

[0005] 为此，本发明提供如下技术方案。

[0006] 本发明提供一种波浪三维高度场的图像重构方法，其特征在于，包括如下步骤：

[0007] 步骤一，水面预处理，使用二氧化钛将目标试验区域的水面染成白色；

[0008] 步骤二，对目标试验区域进行投影，随机生成迷彩图形，并利用投影仪将所述迷彩图形投影至所述目标试验区域的水面；

[0009] 步骤三，制造波浪，使用两个重构相机从所述目标试验区域的上方采集所述目标试验区域的重构用图像，同时使用两个验证相机从所述目标试验区域的侧方采集所述目标
试验区域的验证用图像；

[0010] 步骤四，采用归一化互相关算法对所述重构用图像进行问询匹配，并计算匹配点的空间点坐标，得到在原始坐标系下的初步重构图像；

[0011] 步骤五，坐标变换，将原始坐标系变换到目标坐标系，得到目标坐标系中的最终重构图像；

[0012] 步骤六，重构结果验证，基于所述验证用图像得到目标坐标系中的最终验证图像，将所述最终重构图像与所述最终验证图像进行比较，确认图像重构的精度。

[0013] 在至少一个实施方式中，在进行试验之前，对所述重构相机进行标定以获得相机内外参数和镜头畸变系数，对所述验证相机进行标定以得到所述验证用图像的比例尺。

[0014] 在至少一个实施方式中，在所述步骤四之前，对所述重构用图像基于所述镜头畸变系数进行去除畸变操作，且基于所述相机内外参数进行极线校正操作。

[0015] 在至少一个实施方式中，在所述步骤四之前，对所述重构用图像进行预处理以降低局部的亮度。

[0016] 在至少一个实施方式中，在所述步骤四中，在进行所述问询匹配之前，对所述重构用图像中的明显特征点进行预匹配以获得预估计问询范围，所述问询匹配基于所述预估计
问询范围进行。

[0017] 在至少一个实施方式中，在所述问询匹配中，进行网格迭代多次问询匹配。

[0018] 在至少一个实施方式中，在任意连续两帧的重构用图像的问询匹配中，后一帧重构用图像的首次问询匹配在以前一帧重构用图像的匹配位置为中心的预定范围内进行。

[0019] 在至少一个实施方式中，所述预定范围为列向10个像素内、行向1个像素内。

[0020] 在至少一个实施方式中，通过重构静水平面和重构特征标识物获得原始坐标系向目标坐标系变换的变换方式，且使得所述重构相机与所述验证相机两个测量系统能够共享
目标坐标系。

[0021] 本发明还提供了一种用于实现上述任一实施方式所述的图像重构方法的图像重构试验系统，所述图像重构试验系统包括：

[0022] 水池；

[0023] 造波机构，用于在所述水池内产生波浪；

[0024] 投影仪，用于将所述迷彩图形投影至所述水池的水面；

[0025] 重构相机，设置于所述水池上方，用于获取所述重构用图像；

[0026] 验证相机，设置于所述水池的侧面，用于获取所述验证用图像；

[0027] 控制机构，包括数据处理单元，所述数据处理单元用于对所述重构用图像进行图像处理而得到所述最终重构图像，且用于对所述验证用图像进行图像处理而得到所述最终
验证图像。

[0028] 有益效果

[0029] 本发明通过使用二氧化钛将目标试验区域的水面染成白色，二氧化钛对水体的染色能力强且对水体的影响小，有效避免现有技术中使用纳米气泡机导致的水中悬浮大量汽
泡对波浪的传播造成无法忽视的影响的情形；同时通过使用随机生成的迷彩图形进行投影
和归一化互相关算法进行图像匹配处理，能够提高重构的空间分辨率；最后，通过引入验证
相机拍摄验证用图像，并基于验证用图像生成最终验证图像，使用最终验证图像和最终重
构图像进行对比，可以准确地得到图像重构精度，对图像重构的有效性作出评估。

附图说明

[0030] 图1示出了根据本发明的图像重构试验系统的结构示意图。

[0031] 图2示出了根据本发明的波浪三维高度场的图像重构方法的流程图。

[0032] 图3示出了对重构用图像进行预处理的原理示意图。

[0033] 图4示出了预估计问询范围的原理示意图。

[0034] 图5示出了重构静水表面的原理示意图。

[0035] 图6示出了重构特征标识物的原理示意图。

[0036] 附图标记说明

[0037] 1水池；11观察窗；12斜坡部；13目标试验区域；

[0038] 2造波机构；3投影仪；4重构相机；5验证相机；6雪弗板；7铝条。

具体实施方式

[0039] 为使本发明的技术方案和有益效果能够更加明显易懂，下面通过列举具体实施例的方式进行详细说明。其中，附图不一定是按比例绘制的，局部特征可以被放大或缩小，以
更加清楚的显示局部特征的细节；除非另有定义，本文所使用的技术和科学术语与本申请
所属的技术领域中的技术和科学术语的含义相同。

[0040] 在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“高度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于本发明的简化描述，而不是指示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和
操作，即不能理解为对本发明的限制。

[0041] 在本发明中，术语“第一”、“第二”仅用于描述清楚的目的，不能理解为所指示特征的相对重要性或所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示包
括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个；“若干个”的含义是至少
一个；另有明确具体的限定的除外。

[0042] 在本发明中，除非另有明确的限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“设置”等应作广义理解。例如，“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体成型；可以
是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是
两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以
根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0043] 在本发明中，除非另有明确的限定，第一特征在第二特征“上”、“之上”、“上方”和“上面”、“下”、“之下”、“下方”或“下面”可以是第一特征和第二特征直接接触，或第一特征
和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可
以是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征的水平高度高于第二特征
的水平高度。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正
下方或斜下方，或仅仅表示第一特征的水平高度小于第二特征的水平高度。

[0044] 下面根据图1详细说明根据本发明的用于波浪三维高度场的图像重构的图像重构试验系统的具体实施方式。

[0045] 在本实施方式中，如图1所示，根据本发明的图像重构试验系统包括水池1、造波机构2、投影仪3、重构相机4、验证相机5和控制机构。其中，控制机构可以与造波机构2、投影仪
3、重构相机4和验证相机5通讯连接，进而能够控制造波机构2、投影仪3、重构相机4和验证
相机5的动作。

[0046] 在本实施方式中，如图1所示，水池1的前壁上形成有观察窗11，验证相机5通过观察窗11拍摄图像。水池1中形成有斜坡部12，斜坡部12用于模拟近岸地形，波浪传播到斜坡
部12上方时会发生波浪破碎，邻近斜坡部12的位置为目标试验区域13。其中，观察窗11大致
呈矩形，由高透光玻璃制成，但是本发明不限于此，观察窗11也可以是椭圆形或其它形状。
斜坡部12的坡度比可以为1:20，可以由水泥制成，但是本发明不限于此，斜坡部12也可以根
据实际需要设置其它的坡度比，也可以由其它材质制成。

[0047] 水池1大致构造为长60米、宽0.8米、高1.2米，当然本发明不限于此，水池1的尺寸构造可以根据实际情况进行设计调整。

[0048] 在本实施方式中，如图1所示，造波机构2设置于水池1的另一端，用于在水池1中生成波浪。其中，造波机构2可以为推板式造波机。

[0049] 在本实施方式中，如图1所示，投影仪3设置于水池1的上方，用于将随机生成的迷彩图形投影至水池1的目标试验区域13的水面。其中，投影仪的分辨率为1280×800，亮度可
以为7500流明，以使得能够产生足够明亮的投影图形。迷彩图形可以通过如下方式产生：在
1280×800的矩阵中用高斯随机生成值为0～1的点，将小于0.7的部分的RGB值置为0，其余
的部分的RGB 值置为255。

[0050] 在本实施方式中，如图1所示，重构相机4设置于水池1的上方，用于采集目标试验区域13处的波浪图像(即重构用图像)。其中，重构相机4有两个，构成双目视觉采集。应当理
解，重构相机4是高速相机，两个重构相机4不需要平行设置，可以任意角度摆放，两个重构
相机4的重叠视场约为在水池的宽度方向上1.6米(大于水池的宽度)，水池的长度方向上1
米，该重叠视场覆盖目标试验区域13。

[0051] 验证相机5设置于水池1的外侧，与观察窗11相对设置，用于采集目标试验区域13处的波浪图像(即验证用图像)。其中，验证相机5有两个，构成双目视觉采集。应当理解，验
证相机5是高速相机，两个验证相机5平行设置，每个验证相机5的视场约为竖向0.25米，流
向0.5米，且两个验证相机5的视场在流向上有大约10％的重叠。

[0052] 在本实施方式中，两个重构相机4和两个验证相机5可以由控制机构控制同步启用工作。

[0053] 控制机构还可以包括数据处理单元，其可以用于对重构用图像进行图像处理而得到最终重构图像，且用于对验证用图像进行图像处理而得到最终验证图像。

[0054] 下面根据图2至图6详细说明根据本发明的波浪三维高度场的图像重构方法。

[0055] 在本实施方式中，如图2所示，根据本发明的波浪三维高度场的图像重构方法，包括如下步骤：

[0056] 步骤一，水面预处理，使用二氧化钛将目标试验区域的水面染成白色；

[0057] 步骤二，对目标试验区域进行投影，随机生成迷彩图形，并利用投影仪将所述迷彩图形投影至所述目标试验区域的水面；

[0058] 步骤三，制造波浪，使用两个重构相机从所述目标试验区域的上方采集所述目标试验区域的重构用图像，同时使用两个验证相机从所述目标试验区域的侧方采集所述目标
试验区域的验证用图像；

[0059] 步骤四，采用归一化互相关算法对所述重构用图像进行问询匹配，并计算匹配点的空间点坐标，得到在原始坐标系下的初步重构图像；

[0060] 步骤五，坐标变换，将原始坐标系变换到目标坐标系，得到目标坐标系中的最终重构图像；

[0061] 步骤六，结果验证，基于所述验证用图像得到目标坐标系中的最终验证图像，将所述最终重构图像与所述最终验证图像进行比较，确认图像重构的精度。

[0062] 在步骤一中，具体地可以使用浓度为0.05％的二氧化钛对目标试验区域 13的水面均匀染色，以确保投影的迷彩图形呈现于水面，而不透过水面。

[0063] 在开始正式的波浪三维高度场的图像重构试验之前，需要先对重构相机 4和验证相机5进行标定。具体地，采用“张正友标定法”对重构相机进行标定，得到相机内外参数和
镜头畸变系数，进而得到映射矩阵Rk，对验证相机 5进行标定获取验证用图像的比例尺。

[0064] 在上述的步骤四之前，需要对重构用图像进行预处理以降低局部的亮度。拍摄破碎波面时，由于光线角度和拍摄距离较近，破碎波面的局部会出现强烈的镜面反射现象。由
于两个重构相机4 是从不同的角度拍摄，因此破碎波面的局部镜面反射使得其在两个重构
相机4 中所成的像并不相同，表现为其中一个会更亮。这样不利于进行后续的图案匹配。为
了降低此影响，需要对图像进行预处理来降低局部反射的亮度。具体方式结合图3进行说
明，如图3所示，对每张图片进行灰度值的直方统计(左纵轴)，观察其灰度分布规律，若不近
似满足瑞利分布，则重新布置拍摄光源。若近似满足瑞利分布，则统计其概率密度函数(右
纵轴)。将90％灰度值的点保留，剩余10％的高亮点认为是由镜面反射导致，将其灰度归置
于90％处的灰度值。

[0065] 此外，还需要进一步地针对重构图像进行去除畸变和极线校正操作。其中，去除畸变即是利用上面获取的镜头畸变系数对每一张重构用图像进行预处理去除畸变，极线校正
即是利用上述获取的相机内外参对重构用图像进行校正，具体可以使用“bouguet极线校
正”法，这属于现有技术，此处不再赘述。

[0066] 在本实施方式中，在进行正式的问询匹配之前，对上述重构用图像中的明显特征点进行预匹配以获得预估计问询范围。在两个重构相机拍摄的两张图片之间进行问询匹配
时，对其中一张图片中的一点，往往需要在另一张图片中全局搜寻匹配，耗时较长。而通过
预匹配，可以确定一个“预估计问询范围”，即对于一张图片中的一点，仅需要在另一张图片
中的对应点的预估计问询范围内进行搜寻匹配即可，无需进行全局搜寻匹配，可以大大降
低问询匹配时间，图像处理效率。其中，预匹配的方式如下：以一张图片中的明显特征点，确
定另一张图片中的对应点，将两者的坐标相减得到差值，重复操作统计多个明显特征点对
应的差值，即可得到预估计问询范围。图4示出了预估计问询范围的原理示意图，如图4所
示，预估计问询范围为上下1‑2行、左右40‑70列的范围，即对于一张图片中的任意一点，仅
需要在另一张图片中的对应位置的上下1‑2行、左右40‑70列范围内搜寻即可。

[0067] 在上述的步骤4中，本实施方式采用归一化互相关算法(Normalized CrossCorrelation，NCC)进行问询匹配。具体的，从两张待匹配图像中选择一张，将其划分为多个
边长为64像素的正方形区域。对其中的一个区域I1，在另一张图像中基于上述确定的“预估
计问询范围”，问询查找该区域的匹配区域 I2。通过计算NCC＝Cov(I1,I2)/[Var(I1)Var
1/2
(I2)] 来确定匹配区域。其中Cov为协方差，Var为方差，I1和I2代表区域内各像素点的灰
度值。NCC的最大值即为与I1区域最匹配的I2区域。

[0068] 进一步的，采用网格迭代法进行多次问询匹配。具体的，在完成第一次边长为64像素的正方形区域匹配后，再将每个区域分割为边长为32像素的正方形子区域，每个子区域
在64像素母区域问询结果的位置附近(例如，列向为10个像素内，行向为1个像素内)查找新
的匹配区域。得到匹配结果后，重复上述过程，继续将边长为32像素的正方形区域分割为边
长为16像素的正方形子区域，再次在32像素母区域问询结果的位置附近(例如，列向为5个
像素内，行向为1个像素内)查找新的匹配区域。以此类推，原则上可以最终达到每个像素的
灰度，但本发明中考虑到实际精度需求与计算效率，到边长为16像素即可终止。通过迭代多
次问询匹配，可以进一步提高匹配的空间分辨率。

[0069] 同时，由于问询匹配的位置结果总是以像素为单位，考虑到真实匹配结果通常会小于一个像素，所以需要进行亚像素插值。对NCC值最大的匹配位置，利用周围点的NCC值采
用二维高斯插值来对最大值位置进行修正，即可获得亚像素的匹配位置。

[0070] 进一步的，考虑到波浪的变形速度对于重构相机4 的采样帧数而言相对较低，在连续两帧图像中，后一帧图像的匹配关系不会与前一帧相差太大。因此可以当前一帧的图
像完成匹配后，保存匹配位置继承给下一帧。在下一帧的两张图像进行匹配时，在以前一帧
的匹配位置为中心、列向为10个像素内、行向为1个像素的范围内进行首次问询匹配。这样
可以进一步加快数据处理速度，提高图像处理效率。当然，本发明不限于上述的列向10个像
素、行向1个像素的范围，也可以设置其它的预定范围。

[0071] 当图像匹配完成后，即可代入映射关系RkM*i＝sm*ki，从而求解得到空间点Mi＝T
[Xi,Yi,Zi]的坐标。其中，i表示某个空间点，k表示两个重构相机4 中的“相机1”或“相机
2”，X、Y、Z是空间三维坐标，x、y是相机底片的像素坐标，Rk是映射矩阵，s是任意的尺度因
T T
子，M*i＝[Xi,Yi,Zi,1]、m*ki＝ [xki,yki,1]分别是对原始点Mi和mki增填了1后的增广向量。

[0072] 此外，问询匹配中的NCC值是在0至1范围内的一个数值，该数值越大则匹配度越高。在对破碎波面匹配时，由于光线环境、拍摄角度、图形特征等多种因素，NNC通常在0.8左
右。当局部匹配失败时，NCC值通常会小于0.4。因此，在上述的问询匹配过程中，设定阈值为
0.4，当NCC值小于0.4时则舍弃重构结果，并用周围有效点进行高斯插值来填充该位置。

[0073] 经过上述步骤即可得到原始坐标系下的初步重构图像，还需要进一步将初步重构图像从原始坐标系变换到目标坐标系中。本实施方式通过重构静水平面和重构特征标识物
获得原始坐标系向目标坐标系变换的变换方式。具体如下。

[0074] 关于重构静水平面，如图5所示，先让水池中的水位达到试验水位附近，使一个有明显特征点(如有序斑点)的雪弗板6(即PVC发泡板)静止漂浮于水面上，对雪弗板6上的明
显特征点进行重构，可获得此平面的原始空间位置。由于静水面理应是Z＝0的平面，所以利
用坐标变换将此原始平面变换至目标Z＝0，即可获得绕原始X轴和原始Y轴的旋转矩阵，以
及在原始Z轴上的平移值，进而将拍摄图像所处的原始坐标系向目标坐标系变换。此时由于
验证相机与重构相机是同步拍摄，雪弗板6上表面的Z向位置也会被验证相机拍到，该位置
同样被定为验证相机Z＝0的位置，从而实现重构相机和验证相机两个测量系统的坐标系在
Z向上的共享。由此可见，通过重构静水平面，可将重构获得的三维坐标中的Z向及其原点变
换至目标坐标系中的重力方向和静水面，另外可以联合验证相机在重力方向共享坐标位
置。

[0075] 关于重构特征标识物，如图6所示，将一个长40厘米、横截面为5厘米正方形的铝条7放置于水池中，一端顶靠在水池侧壁的玻璃面上，从而确保其与玻璃垂直。选取铝条7的一
个角点作为目标坐标系流向X和横向Y的原点，则此时铝条7的长度方向即为Y向，与铝条长
度方向垂直的方向即为X向。然后用重构系统对该角点和铝条的方向进行重构。这里，先对
重构结果利用上述的重构静水平面过程中获得的“绕原始X轴和原始Y轴的旋转矩阵”进行
坐标变换后，再通过坐标变换将重构的角点坐标移至X＝0和Y＝0处，即可获得在X轴和Y轴
的平移值。随后通过坐标变换将Y向旋转至铝条7的长度方向，即可获得绕Z轴的旋转矩阵。
此时由于验证相机与重构相机是同步拍摄，而铝条7垂直于观察玻璃，所以铝条7的角点在
观察玻璃上投影点的X向位置也会被验证相机拍到，该位置同样被定为验证相机X＝0的位
置。从而实现重构相机和验证相机两个测量系统的坐标系在X向上的共享。由此可见，通过
重构特征标识物，可以将重构获得的三维坐标系中的X向和Y向及其原点变换至目标坐标系
中的流向和水池横向及目标位置，另外可以联合验证相机在流向和横向共享坐标位置。

[0076] 通过上述的重构静水平面和重构特征标识物获得原始坐标系向目标坐标系变换的变换方式，进而可以将获取的初步重构图像变换到目标坐标系下，得到最终重构图像。其
中，可以理解，目标坐标系的X向是水的流向， Y向是水池的横向，Z向是重力方向。XY原点在
铝条的角点，Z原点在静止漂浮的雪弗板的上表面。

[0077] 在得到最终重构图像后，本发明进一步利用验证相机拍摄的验证用图像对重构结果进行精度验证。具体的，由于验证相机测量系统已经与重构相机测量系统共享了目标坐
标系，加上已经对验证相机进行了标定，得到了图像的比例尺，因此可以对验证相机拍摄到
的验证用图像进行变换处理得到目标坐标系下的最终验证图像，将最终验证图像与最终重
构图像进行对比得到图像重构的精度。其中，考虑到验证相机在水池一侧拍摄的透视误差
(近大远小)与波浪本身的三维形态(验证相机只能拍摄靠近玻璃观察窗的波浪面)，对于最
终验证图像与最终重构图像的对比，可以进选取三维重构结果中位于玻璃观察窗30厘米以
内的部分投影至侧面以与最终验证图像进行对比。

[0078] 通过采用上述技术方案，根据本发明的波浪三维高度场的图像重构方法至少具有如下有益效果：

[0079] (1)在本发明的图像重构方法中，使用二氧化钛将目标试验区域的水面染成白色，二氧化钛对水体的染色能力强且对水体的影响小，有效避免现有技术中使用纳米气泡机导
致的水中悬浮大量汽泡对波浪的传播造成无法忽视的影响的情形。

[0080] (2)在本发明的图像重构方法中，通过使用随机生成的迷彩图形进行投影和归一化互相关算法进行图像匹配处理，能够提高重构的空间分辨率；进一步地，本发明通过网格
迭代多次问询匹配，可以在不降低精度的同时进一步提高空间分辨率。

[0081] (3)在本发明的图像重构方法中，通过进行预匹配得到“预估计问询范围”，并基于该“预估计问询范围”进行问询匹配，可以大幅度降低搜寻匹配时间；进一步地，本发明中通
过匹配位置继承，即在任意连续两帧的重构用图像的问询匹配中，后一帧重构用图像的首
次问询匹配在以前一帧重构用图像的匹配位置为中心的预定范围内进行，这可以进一步加
快匹配时间，总体上大大提高了图像处理的效率。

[0082] (4)在本发明的图像重构方法中，通过引入验证相机拍摄验证用图像，并基于验证用图像生成最终验证图像，使用最终验证图像和最终重构图像进行对比，可以准确地得到
图像重构精度，对图像重构的有效性作出评估。

[0083] 可以理解，用于实现上述方法的图像重构试验系统也具有相同的技术效果。

[0084] 应当理解，以上实施方式均为示例性的，不用于包含权利要求所包含的所有可能的实施方式。在不脱离本发明的范围的情况下，还可以在以上实施方式的基础上做出各种
变形和改变。同样的，也可以对以上实施方式的各个技术特征进行任意组合，以形成可能没
有被明确描述的本发明的另外的实施方式。因此，上述实施方式仅表达了本发明的几种实
施方式，不对本发明的保护范围进行限制。