透明物面偏振成像测量系统与三维面型重建

论文摘要

三维重构技术作为计算机视觉领域的一个重要研究方向，广泛应用于工业设计制造、建筑、航空航天及医学、生物学等领域。传统的接触式测量速度较慢，而单纯的非接触式测量受测量仪器极限分辨率限制，均无法精确快速地进行三维测量。其次针对镜面物体、水下物体的三维测量，由于反射折射等效应对光学仪器的影响，传统方法亦未不能实现该功能的三维测量。基于上述原因，本论文基于偏振成像原理制定了相关测量方法，并提出一种针对水下物体三维测量的精确、快速测量方案。数字图像三维建模的问题主要在于特征点的获取与算法的拟合。透明物体的测量容易受背景影响，但它的偏振态不会变。因此采用偏振成像原理，以物体的偏振态作为其形貌的固有特征，可建立起偏振态参数与平面法向量之间的表达式。算法的拟合方法有多种，本论文简要讨论了几种常用拟合算法的优劣，并选择曲面拟合为基础的Zernike多项式算法，利用一组通用正交基，通过坐标变换，实现了物体三维形貌的模拟表达。本论文在研究偏振成像三维建模的基础上，以高像素CCD图像传感器、偏振片及相应的信号处理电路为硬件平台，在Windows环境下，采用面向对象的理念，以VisualC++6.0为开发工具，结合Matlab处理分析，开发了一套具有偏振图像实时显示、偏振数据处理、偏振度图像显示、偏振角图像显示、目标三维形状显示功能的软件系统。本系统通过USB接口通信，将透过偏振光学系统的偏振图像数据发送到PC端。通过改变偏振片角度，得到多组不同偏振条件的图像数据。由于目标背景随机噪声较大，本论文采用切比雪夫滤波对原始数据进行预处理消除随机噪声。再通过解超定方程组，得到每个数据点云的偏振态信息。经数据分析和定标实验，建立了偏振度高度关系数学模型，实现了偏振系统三维面形的测量。目前，软件系统健壮性强、人机交互界面友好、功能完善。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 偏振成像三维测量技术概述
• 1.2 偏振成像技术的国内外发展现状
• 1.3 本论文的主要内容
• 2 偏振成像三维测量系统原理
• 2.1 偏振成像原理
• 2.2 偏振三维测量系统硬件结构
• 2.3 偏振点云重构原理
• 2.4 图像滤波预处理
• 2.5 本章小结
• 3 三维重构算法研究
• 3.1 三维重构技术原理
• 3.2 曲面拟合算法比较
• 3.3 曲面拟合算法设计
• 3.4 拟合算法评价
• 3.5 本章小结
• 4 三维测量系统软件设计
• 4.1 软件总体设计
• 4.2 设备控制模块设计
• 4.3 数据管理模块设计
• 4.4 显示输出模块设计
• 4.5 本章小结
• 5 测量方案设计及实验结果分析
• 5.1 测量方案设计
• 5.2 实验结果分析
• 5.3 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献