论文题目: 基于图像灰度的自由曲面重构算法研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 机械制造及其自动化
作者: 郝平
导师: 郭东明
关键词: 由明暗恢复形状法,曲面重构,计算机视觉,反求工程,非接触测量
文献来源: 大连理工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 利用图像灰度信息重构物体三维表面(简称SFS,Shape from Shading)的方法是一种重要的非接触曲面测量手段,在遥感、工业测量、模式识别、产品监控、显微测量等领域都有着广阔的应用前景,近年来成为基于视觉的曲面测量领域研究的热点和难点问题。但是现有的SFS方法仍存在曲面重构精度较低、在图像辐射度方程的迭代求解过程中容易发散以及光照方向参数测量过程复杂等难以解决的问题,整个理论体系还不完善。本文详细介绍了SFS方法与其它测量方法相比所具有的优势、现有的SFS方法曲面重构原理及其国内外研究现状。分析了现有的SFS方法中存在的问题,针对这些问题提出了相应的解决方法,并通过实验验证了本文所提出的算法,力求对SFS方法理论的完善做出贡献,希望能够推动SFS方法从理论研究转化到实际应用中。 现有的SFS方法集中研究基于Lambert光照模型的图像辐照度方程逆向求解算法,Lambert光照模型是一个经验模型,未能考虑观察方向和物体表面粗糙度对光反射强度的影响,无法客观地描述光反射现象的物理过程。因此,近年来虽然提出各种SFS方法所对应的非线性偏微分方程组的求解算法,但是曲面重构结果的精度始终未能获得较大突破。本文针对光反射现象进行了详细分析,忽略了一些对SFS方法影响较小的光反射分量,将反射光分为漫反射分量和镜面反射分量,以基于光度学和辐照度学理论推导得到的高精度物理光照模型Oren-Nayar模型为基础,根据SFS方法的特点简化了Oren-Nayar光照漫反射模型,并对其增加了镜面反射分量,将光的漫反射分量和镜面反射分量加权相加构成适用于SFS方法的光照模型。该光照模型比传统的几何光照模型精度高,对物体表面粗糙度没有限制,并具有相对简单的数学表达形式,满足了SFS方法的需要。 本文针对改进的光照模型提出了相应的SFS方法的最小化算法。由于SFS方法本身是对一个病态的非线性偏微分方程进行求解,所以在求解过程中需要增加光强约束条件、表面光滑约束条件和表面可积性约束条件,使之转变为可以迭代求解的问题。在迭代求解过程中给出了边界条件和收敛判据,分别基于Lambert光照模型和改进的光照模型对已知形状曲面图像进行重构,通过对重构精度的比较验证了改进的光照模型可以提高重构曲面的精度。同时,本文利用改进的光照模型及其相应的图像辐照度方程逆向求解算法对不同类型的曲面图像进行重构,验证了该光照模型及其相应的SFS算法具有普遍适用性。 由于非线性偏微分方程的迭代求解算法复杂,在迭代过程中经常收敛到极小值。因此,本文提出一种基于神经网络模型间接求解曲面高度的方法,将神经网络模型看作是光照模型及辐照度方程逆向求解的非线性逼近函数,将形状已知的曲面图像中某一点的灰度、其邻域内点的灰度以及该点的光照条件参数作为输入参数对网络模型进行训练,
论文目录:
摘要
Abstract
目录
1 绪论
1．1 概述
1．2 曲面测量原理及国内外研究现状
1．2．1 测量方法分类
1．2．2 接触式测量方法及国内外研究现状
1．2．3 主动光测量方法及国内外研究现状
1．2．4 被动光测量方法及国内外研究现状
1．2．5 其他测量方法及国内外研究现状
1．2．6 各种测量方法比较
1．3 SFS方法原理、现状及发展趋势
1．3．1 SFS方法原理及国内外研究现状
1．3．2 SFS方法比较
1．3．3 SFS方法应用前景
1．4 本文主要工作内容
1．4．1 本文主要研究内容
1．4．2 本文组织和结构
1．4．3 本文使用的实验设备
1．4．4 本文研究的目的和意义
2 适用于单幅图像曲面重构的光照模型研究
2．1 引言
2．2 光反射现象分析
2．2．1 光反射原理简介
2．2．2 适用于SFS方法的光反射项分析
2．3 光照漫反射模型分析
2．3．1 Lambert光照漫反射模型简介
2．3．2 Oren-Nayar光照漫反射模型简介
2．3．3 改进的光照漫反射模型研究
2．4 光照镜面反射模型分析
2．4．1 光照镜面反射模型的理论推导
2．4．2 简化的光照镜面反射模型
2．5 适用于SFS方法的改进光照模型研究
2．5．1 改进的光照模型
2．5．2 应用改进的光照模型图像仿真
2．6 本章小结
3 基于改进光照模型的单幅图像曲面重构算法研究及其实验验证
3．1 引言
3．2 基于Lambert模型的SFS算法简介
3．3 基于改进光照模型的SFS算法研究
3．3．1 基于改进光照模型的迭代求解算法研究
3．3．2 边界条件分析
3．3．3 收敛判据分析
3．4 实验验证
3．4．1 不同光照模型下SFS方法误差分析
3．4．2 复杂曲面图像重构实验
3．4．3 人脸图像重构实验
3．4．4 显微图像重构实验
3．5 本章小结
4 基于神经网络模型的间接曲面重构算法研究
4．1 引言
4．2 基于神经网络模型的曲面重构方法概述
4．3 神经网络算法基础理论
4．3．1 神经网络原理简介
4．3．2 反向传播学习算法
4．4 基于BP网络的曲面重构算法研究
4．4．1 曲面重构算法分析
4．4．2 神经网络模型的构建
4．4．3 曲面高度计算
4．5 实验验证
4．6 本章小结
5 适用于SFS方法的光源方向参数算法研究
5．1 引言
5．2 光源方向确定方法概述
5．3 球面图像光亮带的分析及选取
5．3．1 球面光亮带分析
5．3．2 球面光亮带的选取
5．4 基于数学形态学的光亮带骨架化提取算法研究
5．4．1 数学形态学方法简介
5．4．2 光亮带骨架化提取算法研究
5．5 光照方向算法研究
5．6 基于多光带平面的光照方向算法研究
5．7 实验验证
5．8 本章小结
6 多幅图像曲面重构信息融合技术研究
6．1 引言
6．2 三维曲面匹配算法研究
6．2．1 曲面匹配方法概述
6．2．2 基于脚标的曲面匹配算法概述
6．2．3 匹配点对的生成算法分析
6．2．4 三维变换算法研究
6．2．5 有向脚标投票筛选分析
6．2．6 曲面的分级匹配算法研究
6．3 简化的曲面匹配算法研究
6．3．1 二维平面内的坐标系变化计算
6．3．2 二维平面内的匹配点对投票筛选
6．4 多曲面信息融合计算算法研究
6．4．1 图像的亚像素三维重构
6．4．2 多曲面信息加权融合算法研究
6．5 基于多幅图像的曲面重构实验验证
6．6 本章小结
7 结论与展望
7．1 结论
7．2 进一步工作展望
参考文献
攻读博士学位期间发表学术论文情况
创新点摘要
致谢
大连理工大学学位论文版权使用授权书
发布时间: 2005-09-07
参考文献
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