论文题目: 目标体三维复原技术研究及其在飞行器外形重建中的应用
论文类型: 博士论文
论文专业: 飞行器设计
作者: 邱卫国
导师: 昂海松
关键词: 计算机视觉,三维重建,特征检测,算法,摄像机标定,镜像构图
文献来源: 南京航空航天大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文围绕图像目标体三维复原技术及其在飞行器外形重建中的应用,进行了较为系统和深入的研究。内容涉及:图像特征检测,几何信息提取,工程视图重建,摄像机标定,照片目标体反求,及复杂目标体三维重建。 在工程图重建上,本文首先针对以线条为主的视图,提出一种多特征的角点检测算法,并给出一种 CGSPV 矢量化算法,得到二维图形的完整信息;然后提出一种基于二维边信息分类的、逐层修剪的迭代树方法,该方法在求解三维形体的同时排除病态解;最后对生成的有效元素采用 B-Rep 法重建实体模型。通过上述重建理论和方法,本文编制了基于工程图的实体建模软件。 在照片目标体三维重建的投影参数标定上,迄今为止,国内外的研究大部分侧重基于序列照片的摄像机标定,对单张照片的摄像机标定鲜有研究,或者采用假设对原有问题进行简化,这不仅在应用场合上受到限制,而且使重建精度受到损害。鉴于此,本文从射影几何出发,建立一种基于单张平行六面体照片的摄像机标定方法,在无需对摄像机做任何假设的情况下,标定出全部 11个未知参数,该方法适用于当前流行的常见摄像机。使用本文方法的模拟和真实实验标定结果和现有的基于序列照片的标定结果一致。借助文献[87],本文方法可从未知信息的平行六面体及其子集完成全部标定环节。 在已知摄像机内部参数 K 的前提下,恢复一般目标体的形体结构和三维尺寸仍存在困难。本文提出将飞行器目标体结构特点融入重建理论的镜像构图法。采用分析和实验的方法解决了镜像照片和真实照片摄像机内部参数之间存在的对应关系,并从克服图像噪声的角度出发,研究了数值优化方法在几何计算中的应用。本文在镜像构图环节严格推导了对极几何和三角化的公式,系统地给出了在灭点信息求解困难情况下,重建欧氏空间实体三维信息和尺寸比的算法。 本文 2~5 章所有理论和算法都通过编制 C++程序和实例计算进行了验证。
论文目录:
第1章 绪论
1.1 研究意义
1.2 三维重建研究现状与技术综述
1.2.1 人类视觉与机器视觉的比较
1.2.2 图像特征检测与图纸矢量化
1.2.3 工程图实体建模研究现状
1.2.4 照片目标体重建研究现状
1.2.5 从图像重建造型局限性
1.3 相关研究领域
1.3.1 计算机图像处理
1.3.2 计算机视觉
1.3.3 摄影测量学
1.3.4 几何学研究
1.3.5 三维实体造型
1.4 本文内容和章节安排
第2章 图像特征检测与矢量化技术
2.1 平面曲线角点检测
2.1.1 轮廓曲线提取
2.1.2 曲线角点检测
2.2 基于角点特征的SPV矢量化方法
2.2.1 图像预处理
2.2.2 角点指导的SPV矢量化算法
2.3 针对照片图像的亚象素特征定位算法
2.4 本章小结
附录 2-A CGSPV矢量化算例
第3章 工程图重建实体模型
3.1 工程图基本理论
3.1.1 三视图坐标系统与平行投影理论
3.1.2 线面与形体分析
3.2 邻域拓扑概念及平面组合体重建方法
3.2.1 投影几何元素分类
3.2.2 基于“邻域拓扑”的三维重建算法
3.3 含规则曲面的扩展ITR算法
3.3.1 平面元素预定义
3.3.2 有效曲面叶子树的扩展
3.4 工程图重建方法及其组合目标体三维重建中的应用
3.4.1 工程图重建程序系统
3.4.2 几个重建程序代码
3.4.3 工程图实体建模软件
3.4.4 某机身简图重建实例
3.5 本章小结
第4章 摄像机成像模型和投影参数求解
4.1 摄像机数学模型
4.1.1 摄像机成像原理
4.1.2 摄像机坐标系统
4.1.3 摄像机数学模型
4.2 射影几何基础
4.2.1 绝对二次曲线Ω及其像ω
4.2.2 平面圆环点Mi及其像mi
4.3 单张照片的C-L法求解全部投影参数
4.3.1 平行四边形投影和灭线优化求解
4.3.2 圆环点像点约束方程
4.3.3 非线性数值方法
4.3.4 线性求解摄像机内部参数K
4.3.5 内部参数K后验方法
4.3.6 摄像机外部参数求解
4.3.7 算法概括和软件实现
4.3.8 本节算例与实验对比
4.4 多张照片的摄像机自标定方法
4.4.1 Kruppa方程几何基础
4.4.2 基于Kruppa方程的摄像机自标定
4.4.3 Kruppa自标定的数值方法
4.5 本章小结
第5章 透视投影图像的三维重建
5.1 规则目标体图像交比法重建欧氏尺寸
5.1.1 规则目标体尺寸重建Cr算法
5.1.2 重建算法深入讨论
5.1.3 简单数值实验
5.2 已标定图像的表面离散点求解
5.2.1 双视图几何极线约束方程
5.2.2 优化的三角化反投影方法
5.3 平面点集的三角化剖分
5.3.1 Voronoi图理论
5.3.2 Delaunay三角剖分法
5.4 已标定照片的镜像构图法
5.4.1 特征点匹配比较
5.4.2 基础矩阵F求解
5.4.3 本质矩阵E求解
5.4.4 镜像构图摄像机C2 参数求解
5.4.5 图像外极点e,e’确定
5.4.6 Higgins等式
5.4.7 算法设计和算例分析
5.4.8 算例分析
5.4.9 模拟实验
5.5 本章小结
附录5-A基于平面点集三角剖分的曲面重建
第6章 三维重建系统及重建范例
6.1 研究难点和要求
6.1.1 存在困难
6.1.2 重建要求
6.2 研究思路和手段
6.2.1 研究思路
6.2.2 研究手段
6.3 飞行器目标体重建框架
6.4 飞机重建范例
6.4.1 部件结构分类
6.4.2 重建三维造型
6.4.3 全机装配
6.5 本章小结
第7章 总结与展望
7.1 本文的主要工作和贡献
7.2 后续研究工作展望
参考文献
发布时间: 2005-07-08
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