基于结构光的旋转式物体三维重构

论文摘要

物体的三维轮廓包含着物体的形状信息,外形及尺度测量是人类认识和改造世界的基本手段之一,是现代化生产质量控制的主要技术。结构光三维视觉检测以其高精度、光条图像信息易于提取、实时性强等特点,近年来在工业环境中倍受瞩目,在三维自动检测和物体识别等领域内具有不可替代的作用。本文在大量调研国内外目前三维重构方法的基础上,采用激光光截法并使物体旋转360。对物体进行三维重构,并且利用该方法对火车车轮进行了三维重构,以达到对车轮表面一周进行全面测量的目的。重构系统主要部分包括摄像机、激光器、旋转平台及计算机。激光器发出一束激光打到物体表面上,利用摄像机拍摄下来。由于在物体表面上的激光光条带有物体表面的轮廓信息,所以对其进行采集后输入计算机中进行处理可以还原物体轮廓信息。若让物体旋转一周每隔一定角度采集一次激光图片,则可以还原显示整个物体的三维轮廓图。本文设计了物体三维重构算法,包括图像处理、系统标定及三维重构显示三个部分。图像处理部分主要包括图像预处理,图像剪切及细化。重点是预处理中的细化算法,它是影响物体三维重构后的精度的原因之一。本文通过对比激光几何中心提取法及骨架法,使用了细化精度更好的骨架法。整个设计过程中,系统标定是本文的重点也是难点,标定精度直接影响三维重构的精度。本文调研了几种国内外摄像机标定方法的优缺点,选取了实现比较简单,标定精度较高的张正友标定方法,并且利用已有的基于张正友标定方法的Matlab标定工具箱对摄像机进行了标定。在此基础上将物体的图像坐标数据转化成空间坐标,在Matlab下对数据进行预处理,排序后构造曲线,然后利用了简单可行的三角网格化算法,实现了曲面重构,最终在Matlab及OpenGl下实现了物体的三维显示并对显示结果进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 论文背景及意义
• 1.2 国内外现状
• 1.2.1 计算机视觉技术的发展
• 1.2.2 三维轮廓测量方法
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 数字图像处理基础
• 2.1 图像基本知识
• 2.1.1 图像基本概念
• 2.1.2 图像形成模型
• 2.1.3 图像获取
• 2.1.4 图像文件格式
• 2.2 数字图像处理
• 2.2.1 数字图像处理概念
• 2.2.2 数字图像处理研究内容
• 2.2.3 数字图像处理的应用及发展
• 2.3 数字图像处理算法验证工具
• 2.3.1 Matlab概述
• 2.3.2 Matlab读写和显示图像文件
• 2.3.3 MATLAB图像处理工具箱中的函数
• 第3章 旋转式物体三维测量原理
• 3.1 测量原理的描述
• 3.2 线结构光三维视觉测量模型
• 3.3 图像细化
• 3.4 图像坐标转换成空间坐标
• 3.5 摄像机标定
• 3.6 空间坐标转换还原
• 第4章 三维重构算法设计及实现
• 4.1 重构方法的确定
• 4.1.1 建模
• 4.1.2 重构算法的流程
• 4.2 三维图形软件的选择
• 4.2.1 OpenGL的特点
• 4.2.2 OpenGL的工作结构
• 4.2.3 OpenGL的绘制原理
• 4.3 利用OPENGL实现三维物体重构
• 4.3.1 操作步骤
• 4.3.2 程序设计
• 第5章 物体重构实验及结果分析
• 5.1 火车车轮重构实验
• 5.1.1 实验系统搭建
• 5.1.2 实验过程
• 5.1.3 图像坐标计算及空间坐标转换
• 5.1.4 三维重构显示
• 5.1.5 实验结果分析
• 5.1.6 基恩士实验对比
• 5.1.7 误差原因分析
• 5.1.8 提高精度方法
• 5.2 纸杯重构实验
• 5.2.1 实验系统搭建
• 5.2.2 图像处理
• 5.2.3 三维显示图
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:部分算法MATLAB源代码
• 攻读硕士期间发表论文及成果