基于摄像机和二维激光测距仪的三维建模关键技术研究

论文摘要

基于摄像机和激光测距仪数据采集方式的三维建模技术一直被研究人员所关注,并在移动机器人的环境感知系统、工业制造、虚拟现实和虚拟增强等众多领域广泛应用。本文系统的分析了不同测量方法的三维建模技术,选择了环境要求低、价格适中的光斑不可见二维激光测距仪和摄像机构建了硬件系统,并建立了相应的传感器控制和数据采集处理软件系统。通过该系统采集数据,对图像特征提取技术、图像匹配技术、系统标定技术和彩色三维建模技术分别进行了方法研究及实际应用。本文目的是:在理论上对基于二维激光测距仪和摄像机的三维建模关键技术进行研究;在实际应用上利用相应技术构建一个三维信息采集重建系统,对室内景物进行彩色三维建模。本文工作主要创新之处如下:1.提出了一个基于模糊阈值的直线提取算法。该算法可以有效解决复杂背景下有畸变图像中的直线提取问题。在铁路沿线的柱状体检测和其距铁轨距离估计的应用中验证了该算法的有效性。2.提出了一个基于Delaunay三角网格的角点匹配算法。该算法主要利用Delaunay三角网格的唯一性,以及相同景物角点对应网格的相似性建立角点匹配。通过对实际图像的实验,证明了该方法对尺度变化和一定程度的旋转和平移变化图象有效。3.对二维激光测距仪标定基本特征进行了分析,提出并设计了基于线特征直角三角形外形的标定物。通过应用于标定二维激光测距仪和摄像机,以及标定二维激光测距仪和旋转云台的实验,证明了设计分析的正确性。4.提出了光斑不可见二维激光测距仪和摄像机的标定算法。有效解决测距数据和图像对应困难的问题。通过与现有算法的仿真和实际采集数据实验比较,证明该方法可以更精确标定设备和更有效融合两种传感器数据。5.提出了二维激光测距仪和旋转云台标定算法。利用标定物正交边测距数据的共线性、正交性和共面性建立约束方程,有效解决了不同转角下测距数据对应困难的问题,有效标定设备。6.提出了异步数据融合的彩色建模算法。解决实际工程应用中高频测距数据和高分辨率图像数据不能同步采集融合的问题。有效融合不同传感器信息,建立了真实感强的室内景物彩色三维点云模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 三维建模研究现状及方法
• 1.2.1 接触式和非接触式
• 1.2.2 主动式和被动式
• 1.2.3 结构光和激光测距
• 1.2.4 结构光技术
• 1.2.5 激光测距技术
• 1.2.6 基于图像的建模技术
• 1.2.7 图像匹配和传感器标定技术
• 1.3 本文研究内容和主要工作
• 1.3.1 三维信息获取硬件系统
• 1.3.2 主要工作以及组织安排
• 第二章 图像特征提取及应用
• 2.1 引言
• 2.2 基于SUSAN算法的角点提取改进算法
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 SUSAN算法
• 2.2.3 自适应阈值的SUSAN改进算法
• 2.2.4 实验结果
• 2.2.5 结论
• 2.3 基于模糊阈值的直线提取算法
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 几种经典的直线提取方法
• 2.3.3 基于模糊阈值的直线提取算法
• 2.4 直线提取算法在铁路沿线柱体检测及距铁轨距离估计中的应用
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 恶劣条件图像
• 2.4.3 距离估计方法
• 2.4.4 实验结果
• 2.4.5 结论
• 2.5 基于SMC的序列图像目标检测算法
• 2.5.1 概述
• 2.5.2 传统SMC算法介绍
• 2.5.3 基于SMC的目标检测算法
• 2.5.4 在红外图像目标检测中的应用
• 2.5.5 在颜色特征的目标检测中的应用
• 2.5.6 结论
• 2.6 小结
• 第三章 图像匹配技术
• 3.1 引言
• 3.2 基于彩色分割的立体匹配算法
• 3.2.1 概述
• 3.2.2 彩色分割
• 3.2.3 彩色线段匹配
• 3.2.4 像素点匹配
• 3.2.5 回找匹配
• 3.2.6 实验结果
• 3.2.7 结论
• 3.3 基于Delaunay三角化的有效角点匹配算法
• 3.3.1 概述
• 3.3.2 角点检测
• 3.3.3 角点匹配
• 3.3.4 实验结果
• 3.3.5 结论
• 3.4 小结
• 第四章 基于线特征的系统标定
• 4.1 引言
• 4.2 激光测距仪误差分析
• 4.2.1 概述
• 4.2.2 传感器工作原理
• 4.2.3 误差分析及实验结果
• 4.2.4 结论
• 4.3 标定特征分析及标定物设计
• 4.4 二维激光测距仪与摄像机标定算法
• 4.4.1 概述
• 4.4.2 相关研究
• 4.4.3 基本公式
• 4.4.4 标定算法原理
• 4.4.5 实验结果
• 4.4.6 结论
• 4.5 二维激光测距仪与旋转云台标定算法
• 4.5.1 概述
• 4.5.2 坐标系建立
• 4.5.3 标定算法原理
• 4.5.4 实验结果
• 4.5.6 结论
• 4.6 小结
• 第五章 异步数据融合的彩色三维建模
• 5.1 引言
• 5.2 基本原理
• 5.2.1 基本公式
• 5.2.2 建立三维信息
• 5.2.3 获取彩色信息
• 5.4 物体彩色三维建模
• 5.4 室内复杂场景彩色三维建模
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士期间发表的论文
• 攻读博士学位期间作者所从事的科研工作