基于格雷编码光栅的双目立体扫描仪关键技术研究

论文摘要

三维测量是测量领域近年来兴起的一项热门技术,相比较传统的二维测量,具有信息量大、可视性好、美观等众多优势,将成为将来视觉展示与重现方向的主要手段。在三维测量与重建技术中,如何寻找一种即简便又快捷的实现方式就成了一大难题。而基于人体仿生学而设计的双目立体扫描仪,很好的解决了这一问题,拥有广阔的发展前景。本文重点介绍了双目立体扫描仪实现中的几个关键技术,并在实验室环境下利用自行搭建的硬件平台与开发的软件图像处理系统,进行了可行性方面的实验。该实验项目是北京市学术创新团队计划“三维信息获取与应用处理技术”和国家自然科学基金“城市三维空间信息一体化建模与表达关键技术研究”等科研项目的组成部分。本文主要涉及的内容如下:1、介绍了计算机视觉方面的基础知识,以及实验系统的三坐标系(包括像平面坐标系、摄像机坐标系与世界坐标系)之间的转换关系。在此基础上,可以根据两摄像机之间的视差,利用方程组,得到被测点的深度数据。2、对组成系统的硬件设备进行了分析介绍,并选取了在当前条件下性价比最高的CCD镜头与采集卡。设计了双目立体扫描仪的机械结构,得出了其测量范围。3、提出了采用格雷码光栅进行结构光定位的方法,并给出了实现方法。依据结构光定位的需要,分析了采用格雷码光栅比较于自然码光栅的优势,对比了二者的编码表。4、给出了实现摄像机标定的步骤与实验仪器,制作了标定板,在实验室环境下得到了摄像机的标定参数。5、给出了实现双目立体测量的步骤与实验仪器,搭建了实验平台,得到了加拍光栅后的左右相机图像,并计算得出对应的深度数据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题的研究目的与意义
• 1.2 三维测量技术的国内外发展现状
• 1.2.1 被动三维传感与主动三维传感
• 1.2.2 接触式传感与非接触式传感
• 1.2.2 非光学传感与光学传感
• 1.3 本文主要研究工作
• 第二章 双目立体扫描仪的光学原理
• 2.1 普通摄像机模型
• 2.2 双目立体扫描仪模型及其原理
• 第三章 扫描仪模型硬件结构设计
• 3.1 计算机视觉光学基础
• 3.1.1 放大率
• 3.1.2 视场
• 3.1.3 分辨率
• 3.1.4 对比度
• 3.1.5 景深
• 3.1.6 光圈
• 3.1.7 F数
• 3.1.8 景深和光圈的关系
• 3.1.9 景深和焦距的关系
• 3.1.10 快门速度
• 3.1.11 畸变
• 3.2 扫描仪CCD摄像头选取
• 3.3 配套图像采集卡选取
• 3.4 扫描仪测量范围设计
• 3.5 扫描仪机械系统参数设计
• 第四章 利用结构光进行图像匹配
• 4.1 结构光的实现与分析
• 4.1.1 基于格雷编码的结构光栅
• 4.1.2 格雷编码光栅与自然码光栅的比较
• 4.2 光栅图像的后续处理
• 4.2.1 采集图像文件格式
• 4.2.2 图像噪声的去除
• 4.2.3 图像的二值化
• 4.2.4 二值图像的细化
• 第五章 摄像机的标定
• 5.1 摄像机标定概述
• 5.1.1 摄像机标定的基本原理
• 5.1.2 摄像机的标定参数
• 5.2 摄像机标定的常用方法
• 5.2.1 摄像机标定的传统方法
• 5.2.2 利用透视变换矩阵的摄像机标定方法
• 5.2.3 Tsai标定法
• 5.3 摄像机标定用例
• 第六章 扫描仪模型实验结果
• 6.1 双目立体扫描仪标定实验
• 6.1.1 标定实验准备
• 6.1.2 标定实验过程及数据获得
• 6.1.3 标定实验所得标定数据
• 6.2 双目立体扫描仪三维测量实验
• 6.2.1 三维测量实验准备
• 6.2.2 三维测量实验过程及数据获得
• 6.2.3 实验结论及误差分析
• 总结
• 参考文献
• 致谢