关于摄像机标定与三维重建技术的研究

论文摘要

视觉是人类获取信息、认识世界的重要途径。计算机视觉就是用计算机模拟人眼的视觉功能,从图像中提取信息,对客观世界的三维景物和物体进行形态和运动识别。在最近三十年内,计算机视觉技术有了突飞猛进的发展,其应用范围遍及工业、农业、医学、军事等多个领域。摄像机标定是计算机视觉领域中的关键技术,标定的过程是通过建立摄像机图像像素位置与场景点位置之间的关系,最终确定摄像机内部几何和光学特性(内部参数)以及摄像机在三维空间坐标系中的位置和方向(外部参数)。摄像机标定的精度直接影响着整个视觉系统的精度,此项技术也是三维重建技术得以实现的重要基础。三维重建技术是研究如何通过二维信息来获取物体在空间中的三维信息的技术,它涉及到的学科非常广泛,包括特征点提取、图像匹配、摄像机标定、多视图几何理论、数值分析方法、计算机图形学等多个领域的理论,具有广泛的应用前景。本文针对计算机视觉中摄像机标定和三维重建技术进行了较深入的理论研究和充分的实践工作。分析了摄像机标定的多种实现方法,并针对双目和多目视觉系统等多种应用场合,提出了一些切实可行的摄像机标定方法。结合实验,总结出了影响摄像机标定精度的诸多因素。实现了一种基于图像序列的三维重建技术,对其中涉及到的特征点提取和匹配、射影重建、摄像机自标定、稠密匹配等技术进行了详细的阐述。在若干具体环节上提出了一些有效的方法,如误匹配点的剔出、基准图像对的选择、重叠匹配、添加图像的选择,自适应RANSAC算法求解运动等等。实验证明,本文实现的三维重建系统能够较好的还原出实际物体的外观,并且具有较高的重建精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 选题背景及其意义
• 1.2 课题来源及研究现状
• 1.3 本文所做工作
• 第2章 射影几何原理概述
• 2.1 2D射影几何原理
• 2.1.1 平面上点和直线的表示方法
• 2.1.2 平面上的二次曲线与对偶二次曲线
• 2.2 3D射影几何原理
• 2.2.1 三维点的表示
• 2.2.2 三维空间中平面的表示
• 2.2.3 二次曲面与对偶二次曲面
• 2.2.4 空间变换的层次
• 2.2.5 无穷远平面
• 2.3 摄像机模型
• 2.3.1 摄像机基本针孔模型
• 2.3.2 摄像机内部参数模型
• 2.3.3 摄像机内部畸变模型
• 2.3.4 摄像机外部参数模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 两视图几何
• 3.1 对极几何
• 3.2 基本矩阵
• 3.3 由基本矩阵实现摄像机对的射影重构
• 3.4 本质矩阵
• 3.5 由本质矩阵估计欧式运动参数
• 3.6 单应矩阵
• 3.7 空间坐标的三维重构
• 3.8 本章小结
• 第4章 基于标定物的摄像机标定方法
• 4.1 基于3D立体标靶的摄像机标定
• 4.1.1 线性模型摄像机标定
• 4.1.2 非线性优化
• 4.2 基于2D平面标靶的标定方法
• 4.2.1 标靶平面与其图像平面之间的单应矩阵
• 4.2.2 求解摄像机参数
• 4.2.3 基于2D标靶的双目立体视觉系统的标定
• 4.2.4 双目立体视觉系统标定的实验结果
• 4.2.5 影响2D平面标靶标定结果的诸多因素
• 4.3 基于1D标靶的标定方法
• 4.3.1 利用一维标靶标定摄像机内部参数
• 4.3.2 各摄像机外部参数的标定
• 4.3.3 集束优化
• 4.3.4 实验结果
• 4.4 本章小结
• 第5章 摄像机自标定
• 5.1 绝对二次曲线
• 5.2 绝对对偶二次曲面
• 5.3 自标定原理
• 5.4 基于绝对对偶二次曲面的自标定方法
• ∞^*'>5.4.1 利用内参数K的约束求解Q_∞^*
• 5.4.2 非线性优化
• 5.5 纯旋转摄像机自标定
• 5.6 本章小结
• 第6章 基于图像序列的三维重建
• 6.1 引言
• 6.2 特征点提取与匹配
• 6.2.1 基于SIFT算法的特征点提取和匹配技术
• 6.2.2 利用极线约束剔除误匹配点
• 6.3 射影重建结构与运动的更新
• 6.3.1 由基准图像对初始化射影结构与运动
• 6.3.2 建立图像间匹配点的联系
• 6.3.3 添加图像实现结构与运动的更新
• 6.3.4 集束优化
• 6.4 自标定及欧式重建
• 6.5 基于种子点扩散的准稠密匹配方法
• 6.6 基于图像序列的三维重建系统流程
• 6.7 实验结果
• 6.8 本章小结
• 第7章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 致谢