便携型立体视觉测量系统相关技术研究

论文摘要

本文设计研制了基于摄影测量原理的便携型立体视觉测量系统,该系统在不借助激光、光栅、反差增强剂等辅助设施的情况下,利用普通图像和立体视觉测量的方法获取所测物体的形貌及三维深度信息,能够满足快速测量及建模的大部分需求,具有体积小、成本低、开发容易、携带方便等优点。对便携型立体视觉测量系统的相关技术进行了研究,包括摄影测量器材的选择、系统结构组合等硬件平台的搭建;图像获取与处理、立体匹配、三维深度信息提取、深度数据存储等软件模块的实现;系统标定及测量精度的分析和评价等,最后通过实例示范了系统的使用方法及三维建模的过程,系统可准确完整地获取小型物体(包括纹理单一的机械零件)的三维形貌信息,测量精度能够满足逆向工程、虚拟工程、动画制作等领域中测量及建模的要求。课题的主要工作和创新之处包括以下几个方面:1、通过引入数字量化效应修正了立体视觉系统测量模型,估计了系统的有效视场,分析了系统的测量精度,并对系统的结构提出了优化方案。在工程中可以根据摄像机参数、基线长度、测量距离等参数估计测量误差;也可根据测量精度要求,指导立体视觉测量系统的结构设计。2、提出了针对单一纹理表面的立体匹配方法,扩大了摄影测量的适用对象和应用范围。通过边缘检测、极线几何和立体图像边缘的相关性确定图像的匹配约束和搜索范围,结合不同的匹配窗口和对局部区域进行由粗到精的渐次匹配、并利用全局松弛和滤波得到高密度高质量的视差图。实验证明该方法提高了匹配效率,一定程度上克服了表面反射和单一纹理的困扰,提高了测量数据的质量,所得结果可用于机械零件的三维重建。3、提出了针对摄影测量所得点云数据的滤波和精简的新方法。摄影测量所得点云数据中噪声较多,脉冲噪声和随机噪声同时存在,孤点与成段的数据段难以区别特征点与噪声,普通方法不能很好地区分。针对该问题提出了一种基于形态学的滤波算法。实验证明该方法运算速度快,不仅能滤除孤点、成段的噪点,还能对某些遮挡或陡峭区域进行一定程度的修补。摄影测量所得数据量较大,一次拍摄所得的原始数据通常有几兆到几十兆字节,这种情况无论是对于数据量的传输还是后期的表面重构都带来很大的困难。为了降低数据的冗余度,本文采取图像处理的手段对点云数据进行精简,使用阈值分割的方法自动确定精简比,实验证明精简后的数据保持了原有特征,可用于深度信息的保存及后续步骤的进行。4、改进了基于二维图像的三维重构过程,提出了一种三维图像格式,利用普通二维图像结合摄影测量所得数据生成三维图像,既拥有二维图像供查看和传播的便利性,又拥有三维深度信息的完整性,可供三维重构使用或用于二次开发,为三维图像提供了一种新思路,拓宽了视觉测量系统的应用领域。5、开发了一套新的便携型视觉测量及建模系统,在几个关键技术上提出了解决方案,基本实现了小型物体三维形貌的获取功能。以机械零件为例对系统及各种算法进行研究,证明了设备、算法和系统用于测量和建模的可行性。该系统低廉的价格、灵活的开发方式使其具有较大的使用群体和更广阔的应用范围。可用于场景、中小型物体特别是机械零件的三维测量和建模,在逆向工程设计、多媒体动画创作、科研分析以及文物玩具等模型的三维数字化方面具有广阔的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 物理量名称及符号说明
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 三维测量技术综述
• 1.2.1. 测量技术分类
• 1.2.2. 常见的测量系统
• 1.2.3. 摄影测量系统研究综述
• 1.3 课题目标与本文工作
• 1.3.1. 便携型视觉测量系统
• 1.3.2. 研究目的和意义
• 1.3.3. 主要研究内容
• 1.4 论文组织与安排
• 第2章 立体视觉测量原理与系统结构分析
• 2.1 立体视觉原理及系统标定
• 2.1.1. 立体视觉原理
• 2.1.2. 平面标定方法概述
• 2.2 视觉测量系统硬件结构设计
• 2.3 系统结构精度分析
• 2.3.1. CCD成像原理分析
• 2.3.2. 精度分析与结构优化
• 2.3.3. 实验及结论
• 2.4 小结
• 第3章 单一纹理图像立体匹配研究
• 3.1 引言
• 3.2 图像质量评价体系的建立
• 3.2.1. 方差法
• 3.2.2. 平均梯度法
• 3.2.3. 信息熵法
• 3.2.4. 图像质量评价量表的制订
• 3.3 待匹配图像的相关处理
• 3.3.1. 图像采集
• 3.3.2. 图像质量与平滑算子的确定
• 3.3.3. 图像质量与直方图均衡化
• 3.3.4. 立体图像对的校正
• 3.4 单一纹理匹配算法的研究
• 3.4.1. 估计平均视差及搜索范围
• 3.4.2. 选择合适的匹配窗口
• 3.4.3. 由粗到精的金字塔式搜索
• 3.4.4. 双向匹配和全局松弛
• 3.5 实验结果及讨论
• 3.6 小结
• 第4章 摄影测量点云数据的处理
• 4.1 基于形态学方法的点云滤波
• 4.1.1. 形态学方法与滤波原理
• 4.1.2. 选择合适的结构元素
• 4.1.3. 形态算子组合与运算顺序选择
• 4.1.4. 形态法滤波步骤总结
• 4.1.5. 滤波效果评测与比较
• 4.2 摄影测量点云数据精简
• 4.2.1. 离散曲面曲率计算原理
• 4.2.2. 点云数据曲率精简比确定
• 4.2.3. 点云曲率图像的阈值分割方法
• 4.2.4. 点云数据的非均匀网格滤波
• 4.3 小结
• 第5章 摄影测量深度信息的存储研究
• 5.1 引言
• 5.2 图像压缩编码分析
• 5.3 三维图像格式框架与设计过程
• 5.3.1. 立体图像对的压缩
• 5.3.2. 立体深度信息的压缩
• 5.3.3. 三维图像格式的编码设计
• 5.3.4. 实验及结论
• 5.4 小结
• 第6章 视觉测量系统软件开发与应用实例
• 6.1 引言
• 6.2 便携型视觉测量系统框架与程序流程
• 6.2.1. 视觉测量系统模块划分
• 6.2.2. 主要模块流程设计与开发
• 6.3 视觉测量系统应用与实例分析
• 6.3.1. Imageware软件介绍
• 6.3.2. 物体的三维重建过程
• 6.3.3. 零件测量与重建过程展示
• 6.3.4. 实验分析与结论
• 6.4 小结
• 第7章 结论
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 附录 1─设备参数
• 附录 2─部分点的测量值及误差
• 附录 3─零件测量过程及结果
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间发表论文及参与课题
• 外文论文