立体内视测量技术研究

论文摘要

基于立体视觉的内视测量技术在国外已经得到了初步研究和应用,在国内也受到了极大的关注。随着CCD摄像机的小型化和计算机硬件集成度的不断提高,相关技术的不断发展,立体内视测量技术以其柔性、快速、非接触、精确、自动化程度高等特点为优势,得到了越来越广泛的研究与应用。本文设计研发的立体内窥测量系统,可用来检测枪械、火炮的膛线及内部表面的损伤,对膛线损伤区域的深度、长度、面积等可进行定量测量和定性分析。结合立体视觉的几何模型,以适合人眼观察的Panum区原理为基础,得出了符合人眼观察习惯的舒适视差范围,并根据在CRT显示器上舒适观察距离,计算出最大像素差,并以此推导出立体内窥镜的放大率、焦距、视场角等重要参数。对立体内窥镜光学系统包括物镜光学系统、转像光学系统和目镜光学系统等的结构与相关镜头参数进行了详细的设计与优化。该立体内窥测量系统采用FPGA技术,对立体内窥镜所获图像实现了100Hz双路视频信号的交替逐行输出,使时分制显示图像频率达到50Hz,克服了传统时分制立体电视图像的闪烁现象和采用计算机图像时分制显示资源的不可分配性。系统利用Verilog HDL语言实现了双路视频处理及视频传输控制电路的设计,采用了外设SDRAM存储器作为帧存储器,以实现视频数据的存储。在FPGA中开辟FIFO用来缓存SDRAM输入和输出的像素数据,加快存储速度,使输出扫描帧频可达到100Hz逐行扫描,让观看者更舒适。针对枪膛、炮膛测量的特点与需求和现场实际环境的分析,采用了一种灵活、简洁、精度高的标定方法—张氏平面标定法,对立体摄像机进行了标定,确定了空间点之间的对应关系,提高了测量的准确性。运用基于可调节阈值的Canny算法的最佳边缘检测算子,提高了图像边缘的清晰度与信噪比;采用基于动态规划的区域灰度匹配和特征点匹配的快速算法,根据特征点来限定非特征点的有效视差集,缩小了生成视差空间的计算复杂度和搜索范围,使遮掩区得到了一定程度的识别。实验表明,此算法简单实用,运算速度快,对边缘清晰的立体图像对达到了较高的匹配率。该立体内窥测量系统,较好地解决了枪械、火炮膛线的立体图像采集困难、边缘不清晰,测量问题中的失配、误匹配和低速等问题,提高了枪械、火炮内膛线测量的准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题的研究背景和意义
• 1.3 立体内视测量技术研究的国内外发展现状与趋势
• 1.3.1 国外发展现状与趋势
• 1.3.2 国内发展现状与趋势
• 1.3.3 新型立体内窥镜设备
• 1.4 本文主要研究工作
• 1.4.1 系统方案和拟解决的关键问题
• 1.4.2 本文主要研究的内容和章节安排
• 第二章 立体内视测量原理与方法
• 2.1 立体视觉理论基础
• 2.1.1 单眼立体视觉形成
• 2.1.2 双眼立体视差形成
• 2.2 立体视觉测量方法
• 2.2.1 立体视觉测量原理
• 2.2.2 立体视觉测量系统的数学建模
• 2.2.3 计算机图像坐标与世界坐标的对应关系
• 2.2.4 视觉测量系统非线性模型
• 2.3 立体视觉系统模型
• 第三章 立体内窥镜总体设计
• 3.1 立体内视测量系统总体设计方案
• 3.1.1 图像获取
• 3.1.2 摄像机定标
• 3.1.3 特征提取
• 3.1.4 立体匹配
• 3.1.5 深度计算
• 3.1.6 图像的后期处理
• 3.1.7 时分制立体显示
• 3.1.8 硬件系统
• 3.1.9 软件系统
• 3.2 立体内窥镜的光学系统设计
• 3.2.1 立体内视检测系统参数确定原则
• 3.2.2 光学系统参数确定
• 3.2.3 立体内窥镜光学系统结构设计
• 3.2.4 立体内窥镜光学系统参数计算
• 3.3 立体测量摄像显示系统设计
• 3.3.1 立体摄像机的选择
• 3.3.2 立体内视显示硬件电路
• 3.3.3 颜色空间变换设计
• 3.3.4 视频存储器控制模块设计
• 3.3.5 立体图像采集卡的选用
• 第四章 立体摄像机定标方法
• 4.1 利用传统摄像机定标技术
• 4.2 运用非线性优化技术进行摄像机定标
• 4.3 摄像机自定标方法
• 4.3.1 利用绝对二次曲线和外极线变换性质的摄像机标定方法
• 4.3.2 利用主动视觉控制摄像机运动的自定标方法
• 4.4 张氏定标法的试验装置与结果分析
• 4.4.1 摄像机成像几何模型
• 4.4.2 摄像机定标
• 4.4.3 立体摄像机定标步骤与结果分析
• 第五章 边缘检测及立体匹配
• 5.1 边缘检测的重要性
• 5.2 图像的平滑与噪声滤除
• 5.3 边缘检测原理及算法分析
• 5.3.1 边缘检测原理
• 5.3.2 Roberts算子
• 5.3.3 Sobel算子
• 5.3.4 Laplace算子
• 5.4 CANNY准则及CANNY算法
• 5.4.1 Canny边缘检测准则
• 5.4.2 Canny准则下最优边缘检测滤波器的求解
• 5.4.3 Canny算法的实现
• 5.5 立体匹配
• 5.5.1 概述
• 5.5.2 立体匹配的内容和步骤
• 5.6 立体匹配算法
• 5.6.1 基于区域灰度的匹配算法
• 5.6.2 基于特征的匹配算法
• 第六章 实验数据及误差分析
• 6.1 火炮膛线几何参数测量实例
• 6.1.1 火炮膛线深度测量
• 6.1.2 火炮膛线疵病的测量
• 6.1.3 测量系统标定数据
• 6.2 摄像机镜头畸变
• 6.2.1 径向畸变
• 6.2.2 离心畸变
• 6.2.3 薄透镜畸变
• 6.3 内窥镜设计装配误差
• 6.4 立体摄像机定标误差
• 6.5 立体匹配误差
• 6.5.1 全局顺序匹配约束
• 6.5.2 视差图检测与校正
• 第七章 结论与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 本文的主要创新点
• 7.3 建议与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录一
• 附录二