大型3D形貌测量高精度拼接方法与技术研究

论文摘要

多视数据拼接是大型3D形貌测量中不可或缺的环节,拼接质量直接影响三维重建的可行性和精度。本文在分析比较国内外拼接方法的原理及优缺点基础上,将测量点云作为拼接内容,遵循基于约束的整体拼接思路,从理论和实践上进行了一系列深入研究,分别提出和研究了基于辅助靶标的单次成像拼接方法和基于全局控制网络的拼接方法,完成了相应的实验验证工作。实验证明,这两种方法具有较好的可行性,分别适用于精度要求适中的无损测量和精度要求较高的测量场合。论文的主要研究内容如下:一、总结了国内外多视数据拼接技术的发展现状,结合应用实例,分析各方法的拼接原理及优缺点。二、研究了基于激光扫描技术的双目立体视觉传感器。构建半导体激光器组结合精密步进电机及减速机构的扫描装置;分析传感器视场范围及测量精度,优化传感器结构设计;利用一维标定物虚拟三维靶标实现摄像机及传感器的标定;实现基于外极约束的特征光条快速高精度匹配。三、提出了基于辅助靶标的单次成像拼接方法。完成全局控制点及辅助靶标控制点的设计、识别与亚像素定位;由拼接像机虚拟双像机交汇测量系统对全局控制点进行精密定向;利用射影几何和透视几何原理,通过辅助靶标和拼接像机的中介,建立并求解单元测量坐标系→辅助靶标坐标系→拼接像机坐标系→全局坐标系的坐标系转换链,完成整体拼接。四、研究了基于全局控制网络的拼接方法。完成编码与非编码控制点的设计、识别与亚像素定位;估计并优化两测站间的基本矩阵,根据对极约束完成两测站图像中非编码控制点的粗匹配;利用三测站图像结合松弛匹配思想,实现多测站图像中非编码控制点的精匹配,并根据匹配结果对非编码控制点进行全局编号;建立平差约束方程,求解获得由非编码控制点建立的全局控制网络;根据距离约束实现单元测量坐标系下部分非编码控制点向全局控制网络的精确映射。五、利用前述两种拼接方法,分别设计完成了对于回转体被测物和轿车发动机覆盖件的测量拼接实验,并进行了误差分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 大型三维形貌测量的结构体系
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 单元数据获取
• 1.2.2 多视数据拼接
• 1.2.3 典型仪器
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 课题的内容及章节安排
• 第二章 基于激光扫描的双目立体视觉传感器
• 2.1 双目立体视觉传感器
• 2.1.1 摄像机模型
• 2.1.2 测量模型
• 2.2 摄像机标定
• 2.2.1 摄像机实际透视模型
• 2.2.2 标定方法
• 2.2.3 标定试验及结果
• 2.3 传感器标定
• 2.4 传感器硬件实现
• 2.4.1 扫描结构
• 2.4.2 传感器结构
• 2.4.3 传感器控制
• 2.5 立体匹配
• 2.6 本章小结
• 第三章 基于辅助靶标的单次成像拼接方法
• 3.1 拼接原理
• 3.2 坐标系建立
• 3.3 坐标系统一
• 3.4 基于辅助靶标的单次成像拼接实验
• 3.4.1 实验准备
• 3.4.2 实验结果
• 3.5 本章小结
• 第四章 基于全局控制网络的拼接方法理论基础
• 4.1 平差约束方程建立
• 4.1.1 数字近景摄影测量概述
• 4.1.2 约束方程
• 4.1.3 控制点匹配
• 4.2 全局控制网络求解
• 4.2.1 平差解算
• 4.2.2 平差初值获取
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于全局控制网络的拼接方法
• 5.1 拼接原理
• 5.2 全局控制网络建立
• 5.2.1 建立方法
• 5.2.2 控制点编号
• 5.2.3 平差初值获取
• 5.2.4 联合平差
• 5.3 控制点映射
• 5.4 基于全局控制网络的拼接实验
• 5.4.1 实验准备
• 5.4.2 实验结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论及展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢