基于时空彩色编码的稳健三维视觉方法研究

论文摘要

在计算机视觉领域,从二维图像重建物体三维轮廓形状是当前的一个研究热点,高质量的3D模型成为现代人们生活的迫切需求,广泛应用于逆向工程。传统的三维数据获取方法,如双目立体视觉,匹配精度低,激光三维扫描设备成本高等缺点,另外,传统的结构光重建技术存在效率与分辨率的相互制约,高精度、高可靠性、高分辨的三维重建仍然面临着挑战。编码结构光技术被认为是最可靠的物体三维形貌重建技术之一,然而存在低分辨率、纹理受限、对光照敏感等缺陷,这也是此项技术实际应用的主要制约,本课题针对现存在的问题,实现一种基于彩色随机阵列的编码结构光方法,并且采用时间与空间结合的编码结构光技术,提出一种改进的彩色条纹编码结构光技术,引入聚类方法在RGB空间中实现匹配,从单幅图像实现稳健三维重建,结合时移方法可获得密集的三维数据。本文实现了一种高分辨率的稳健三维重建方法,主要工作和成果如下:1.光模板编码。本文设计两种编码光模板,一种是以邻接正六边形窗口为编码码字的随机阵列编码;另一种是基于改进De Bruijn序列的条纹编码,选择红、绿、蓝三基色和白色作为编码颜色集,满足颜色空间距离足够大,引入等宽白色光条间隔彩色光条,增加空间分辨率,并采用时移方法,为实现静态场景的高分辨率重建创造了编码信息条件。2.模板匹配。建立图像平面与投影光平面之间的正确匹配是一个复杂的问题,本文针对两种编码方法提出相应的算法进行匹配。在随机阵列编码中,采用harris方法提取角点,网格分割并匹配。在条纹编码中,首先将像素灰度转化成色彩特征向量,使用一维算子进行图像预处理,再检测光条边缘,利用聚类的方法实现光条颜色分配,最后直接解码光条在每帧模板中的位置。3.结构光系统标定。系统标定是要获取各个传感器之间的关系以及自身的参数,标定精度决定整个系统的重建误差。本文把结构光系统标定分为摄像机标定和投影仪标定两步进行,运用平面标定方法标定非线性模型摄像机,同时建立投影仪一维简化模型,最后结合两者标定的参数对系统进行了精度分析。4.三维计算。结合摄像机和投影仪模型,推导三维计算式,完成图像2D到空间3D的计算。最后,本文通过实验实现了基于随机阵列的实物三维重建,重点研究基于De Bruijn序列条纹编码解码方法,获得高分辨率的石膏三维模型,实验结果表明,该方法可在日常光照下重建高分辨率可靠三维模型,能实现不同场景的三维重建,提高了三维获取的适用条件,并且对系统的精度以及误差产生的原因进行分析,本文提出的方法对自适应编码结构光技术有一定的理论研究意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 三维重建技术概述
• 1.2.2 编码结构光的研究现状
• 1.3 结构光三维视觉技术的研究意义
• 1.4 研究内容
• 1.5 本文组织结构
• 第2章 结构光视觉系统设计
• 2.1 结构光视觉系统组成
• 2.2 硬件设备构建
• 2.2.1 二维移动旋转平台
• 2.2.2 结构光视觉成像系统
• 2.3 三维重建过程
• 2.4 本章小结
• 第3章 光模板编码匹配
• 3.1 引言
• 3.2 光模板设计
• 3.2.1 颜色集选择
• 3.2.2 彩色随机阵列编码
• 3.2.3 光条序列编码
• 3.3 阵列网格解码
• 3.4 光条解码
• 3.4.1 光条边界检测
• 3.4.2 光条匹配
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统建模与标定
• 4.1 引言
• 4.2 系统建模
• 4.2.1 摄像机模型
• 4.2.2 投影仪模型
• 4.2.3 三维计算
• 4.3 系统标定
• 4.3.1 摄像机标定
• 4.3.2 投影仪标定
• 4.4 系统标定结果及分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 三维重建实验
• 5.1 引言
• 5.2 随机阵列编码三维重建实验
• 5.3 条纹编码三维重建实验
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果