面向全光样本的距离测量算法研究

论文摘要

物体的长度,面积和体积等几何信息在许多场合中均需要被分析和利用,如建筑物的测量,交通事故和罪案现场的调查取证等。由于长度信息是计算其他几何信息如面积和体积的基础,距离测量成为几何测量领域的重点研究课题之一。随着计算机视觉和图像处理等研究领域的发展,科研工作者提出了基于待测场景透视图像的测量方法。这类方法通过待测场景的透视图像,利用射影几何原理,结合场景中的几何特征,从图像中恢复场景的几何信息。使用这类测量方法,测量人员只需使用相机拍摄一幅或多幅待测场景的照片,然后通过图形化界面的测量软件即可从场景的图像中获取相关距离信息。所摄图像可以保存在硬盘中,以便在需要时再次进行测量,而无需重返待测现场。现有的基于图像的距离测量方法通过场景单幅透视图像中的点、线等几何特征,推算出场景的相关距离信息。本文基于前人的研究,所做工作如下:（1）提出面向包含圆的单幅未校正透视图像（uncalibrated image,即内外参未知的相机所拍摄的图像）的距离测量算法。现有测量方法均通过图像中的点、线等场景特征进行相关距离信息的计算。由于圆在日常生活中广泛存在,该算法扩展了单幅图像测量算法的应用范围。（2）提出基于场景全光样本（全景图像）的距离测量算法。现有的图像测量方法均面向待测场景的单幅透视图像,可测量范围受到相机视域（field-of-view）的限制。该方法通过在构建所得的待测场景的360°×360°全景图像中进行距离测量,克服了单幅透视图像测量方法中视域受限的问题,扩大了待测场景的可测量范围,使得在单幅图像中部分可见的长距离线段也能得以测量。此外,在所提算法的基础上开发交互式全景测量工具PanoMeasure。使用PanoMeasure,用户可以通过场景的全景图像获取场景中的相关距离信息。（3）扩展基于全景图像的距离测量算法,提出基于场景全景视频的距离测量算法,使可测量范围不再受相机固定拍摄点和视域的限制,从而进一步扩大场景的可测量范围。我们针对以上三种方法分别进行模拟测量实验和真实场景测量实验,以验证其正确性和测量精确度。实验结果证明,三种测量方法均具有较高精确度,完全可满足大多数场合下的测量精度要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 工作背景
• 1.2 相关工作
• 1.3 本文工作
• 1.4 文章结构
• 第二章 预备知识
• 2.1 符号约定
• 2.2 射影几何原理
• 2.2.1 基本概念
• 2.2.2 齐次坐标和无穷远点
• 2.2.3 交比
• 2.2.4 空间中点，直线，平面和二次曲线的矩阵表达式
• 2.3 相机成像原理和成像几何特征
• 2.3.1 相机模型
• 2.3.2 灭点和灭线
• 2.3.3 平行圆和圆环点
• 2.3.4 平面投影变换
• 2.4 全光样本
• 2.5 相机轨迹跟踪
• 2.6 小结
• 第三章 包含圆的单幅图像距离测量方法
• 3.1 基于两个相离的平行圆的距离测量方法
• 3.2 基于两个同心圆的距离测量方法
• 3.3 实验数据
• 3.3.1 模拟实验
• 3.3.2 真实实验
• 3.4 小结
• 第四章 面向全景图像的距离测量方法
• 4.1 全景图像的生成和相机参数的恢复
• 4.2 交互式距离测量
• 4.3 实验数据
• 4.3.1 模拟实验
• 4.3.2 真实实验
• 4.4 小结
• 第五章 面向全景视频的距离测量方法
• 5.1 全景视频的生成
• 5.2 相机轨迹跟踪
• 5.3 交互式距离测量
• 5.4 实验数据
• 5.4.1 模拟实验
• 5.4.2 真实实验
• 5.5 小结
• 第六章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表文章