Underwater Target 3D Reconstruction Method Based on AUV Equipped with Monocular-Line Laser

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.05.021

Abstract

Abstract:

The underwater targets were scanned and 3D reconstructed based on the autonomous underwater vehicle（AUV） platform equipped with a monocular camera and a line laser sensor. Aiming at the difficulty of extracting stripe coordinates in underwater laser images， an adaptive method was proposed for extracting laser stripe coordinates in the HSV space， and the 3D spatial coordinates of the target point were calculated by combining the laser triangulation model and the camera inverse projection matrix. Further， the AUV pose information was utilized to stitch multiple frames of point clouds， achieving the reconstruction of the complete 3D structure of the target object. By constructing the described algorithm framework described， AUV experiments were conducted to verify the feasibility of the method and the effectiveness of point cloud reconstruction under the pool environment.

Key words: stripe coordinate extraction, triangulation, inverse projection, 3D reconstruction

摘要：

基于自主水下航行器（AUV）平台搭载单目相机与线激光传感器对水下目标进行扫描与三维重建。针对水下激光图像中条纹坐标提取困难等问题，提出了一种自适应HSV空间下的激光条纹坐标提取方法，并结合激光三角测距模型与相机反投影矩阵计算目标点的三维空间坐标。进一步利用AUV位姿信息对多帧点云进行拼接，实现对目标物体完整三维结构的重建。通过构建所述算法框架，在水池环境下开展了AUV试验，验证了该方法的可行性与点云重建的有效性。

关键词: 条纹坐标提取, 三角测距, 反投影, 三维重建

CLC Number:

P756

YANG Yongjun, YANG Renyou, LI Yufeng, QIN Hao. Underwater Target 3D Reconstruction Method Based on AUV Equipped with Monocular-Line Laser[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(5): 1210-1217.

杨永俊, 杨仁友, 李俞锋, 秦浩. 基于自主水下航行器搭载单目-线激光器的水下目标三维重建方法[J]. 中国机械工程, 2026, 37(5): 1210-1217.

Figures/Tables 16

Fig.1 Monocular-line laser 3D point cloud reconstruction process

Fig.2 Collecting laser images of target objects

Fig.3 Adaptive HSV stripe center coordinate extraction method

Tab.1 Algorithm performance indicators

性能指标	灰度重心法	Steger法	本文算法
耗时/s	1.35	1.06	0.82
提取点数	194	5134	472

Fig.4 Laser point detection and extraction

Fig.5 Target object imaging optical path diagram

Fig.6 Camera internal parameter calibration process

Tab.2 Camera internal parameter calibration result

内参	陆上	水下
f_x	3454.4506	4308.8624
f_y	3447.2332	4302.9958
c_x	1600.8177	1379.5081
c_y	995.7086	1031.0359
k₁	$-$ 0.030 59	0.266 74
k₂	0.145 68	$-$ 0.159 64
p₁	$-$ 0.001 93	$-$ 0.001 57
p₂	0.003 29	$-$ 0.010 23

Tab.2 Camera internal parameter calibration result

内参	陆上	水下
f_x	3454.4506	4308.8624
f_y	3447.2332	4302.9958
c_x	1600.8177	1379.5081
c_y	995.7086	1031.0359
k₁	$-$ 0.030 59	0.266 74
k₂	0.145 68	$-$ 0.159 64
p₁	$-$ 0.001 93	$-$ 0.001 57
p₂	0.003 29	$-$ 0.010 23

Fig.7 Coordinate conversion process

Fig.8 Point cloud stitching

Fig.9 AUV equipped with monocular-line laser equipment（yellow box）

Fig.10 AUV 3D structural diagram

Fig.11 Small target object data collection experiment

Fig.12 Experimental data collection of wall environment in large water tank

Fig.13 Test target and environment

Fig.14 Point cloud reconstruction effect

References 16

[1]	高靖萱，张亚，孙风胜. AUV海底地形匹配导航方法综述［J］. 船舶工程， 2023， 45（2）： 167-176.
	GAO Jingxuan， ZHANG Ya， SUN Fengsheng. Review for AUV Seabed Terrain Aided Navigation Methods［J］. Ship Engineering， 2023， 45（2）： 167-176.
[2]	刘朝. 基于深度学习的水下三维场景重建［D］. 镇江：江苏科技大学， 2022.
	LIU Zhao. Underwater 3D Scene Reconstruction Based on Deep Learning［D］. Zhenjiang： Jiangsu University of Science and Technology， 2022.
[3]	杨永俊. 基于视觉的近海捕捞ROV定位方法研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2023.
	YANG Yongjun. Research on Visual Location Method for Offshore Fishing ROV［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2023.
[4]	仲恒. 基于双目立体视觉的三维重建研究［D］. 镇江：江苏科技大学， 2023.
	ZHONG Heng. Research on 3D Reconstruction Based on Binocular Stereo Vision［D］. Zhenjiang： Jiangsu University of Science and Technology， 2023.
[5]	王姮，徐鹏，林海涛，等. 基于极线约束的水下目标激光重建方法［J］. 激光与光电子学进展， 2024， 61（22）：280-288.
	WANG Heng， XU Peng， LIN Haitao， et al. Underwater Target Laser Reconstruction Method Based on Epipolar Constraint［J］. Laser & Optoelectronics Progress， 2024， 61（22）： 280-288.
[6]	陈国邦. 基于双目视觉的水下场景多线激光三维重建方法研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2024.
	CHEN Guobang. Research on Multi-line Laser 3D Reconstruction of Underwater Scene Based on Binocular Vision［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2024.
[7]	杨树明，瞿兴，马椿洋. 基于事件相机的视觉测量综述［J］. 光学学报（网络版）， 2024， 1（3）：21-32.
	YANG Shuming， QU Xing， MA Chunyang. Review of Event Camera-based Visual Measurement（Invited）［J］. Acta Optica Sinica （Online）， 2024， 1（3）： 21-32.
[8]	王佳欢. 基于线激光海底管道三维重建方法研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2022.
	WANG Jiahuan. Research on Three-dimensional Reconstruction Method of Submarine Pipeline Based on Line Laser［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2022.
[9]	孙茜，薛庆生，张冬雪，等. 水下目标物三维激光重建方法研究［J］. 红外与激光工程， 2022， 51（8）： 234-240.
	SUN Qian， XUE Qingsheng， ZHANG Dongxue， et al. Research on the 3D Laser Reconstruction Method of Underwater Targets［J］. Infrared and Laser Engineering， 2022， 51（8）： 234-240.
[10]	赵子毅. 基于线结构光的深海小区域三维重建［D］. 青岛：青岛科技大学， 2020.
	ZHAO Ziyi. 3D Reconstruction of Deep Sea Area Based on Line Structured Light［D］. Qingdao： Qingdao University of Science & Technology， 2020.
[11]	XUE Qingsheng， SUN Qian， WANG Fupeng， et al. Underwater High-precision 3D Reconstruction System Based on Rotating Scanning［J］. Sensors， 2021， 21（4）：1402.
[12]	李奕轩. 水下载体姿态对三维重建影响的半实物仿真系统研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2024.
	LI Yixuan. A Semi Physical Simulation System Study on the Influence of Underwater Body Posture on 3D Reconstruction［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2024.
[13]	张天驰，刘宇轩. 深度学习驱动的水下图像处理研究进展［J］. 计算机科学， 2024， 51（）： 283-294.
	ZHANG Tianchi， LIU Yuxuan. Research Progress of Underwater Image Processing Based on Deep Learning［J］. Computer Science， 2024， 51（S1）： 283-294.
[14]	孙志远. 基于结构光点云的水下目标三维重建技术研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学， 2024.
	SUN Zhiyuan. Research on Three-dimensional Reconstruction Technology of Underwater Targets Based on Structured Light Point Cloud［D］. Harbin： Harbin Engineering University， 2024.
[15]	彭铖，张爱军. 一种线结构光亚像素中心坐标提取方法［J］. 激光杂志， 2023， 44（1）： 56-61.
	PENG Cheng， ZHANG Aijun. A Method for Extracting Sub-pixel Coordinates of Line Structured Light Centre［J］. Laser Journal， 2023， 44（1）： 56-61.
[16]	俞圣池，李佳康，熊鑫泉，等. 基于线激光三角测距法的鱼体测距研究［J］. 渔业现代化， 2024， 51（1）： 80-89.
	YU Shengchi， LI Jiakang， XIONG Xinquan， et al. Research on Fish Ranging Based on Line Laser Triangulation Ranging Method［J］. Fishery Modernization， 2024， 51（1）： 80-89.