结构光三维扫描系统多视角自动拼接算法研究
发布时间：2021-03-17 22:19
点云拼接是三维重建中非常重要的一个研究方向,经过几十年的研究,点云拼接取得了非常多的研究成果,但仍存在算法复杂度、计算时间和精度难以兼顾的问题。基于此,本文提出了一种算法简单、适用性强以及实时性好的自由视角三维点云拼接算法。本文的主要工作以及创新点如下:（1）搭建了结构光硬件系统并完成了系统的高精度标定。采用结构光加线移的编解码方式,得到高精度的单视角稠密点云;（2）研究并实现了棋盘格法、转轴法等需要额外标定物的多视角拼接方案,针对不同纹理特性的表面进行了多视角拼接实验,并对结果进行对比、分析:基于额外标定物拼接的算法复杂度低,但拼接精度受标定物的影响非常大,并且这种方法限制了待测物的测量范围,适用性差;（3）研究并实现了基于经典ICP（Iterative Closet Point）方法、基于双目立体视觉恢复空间三维匹配点对的拼接算法等无需额外标定物的拼接算法,其中ICP算法对初始位置要求高,迭代耗时久,基于双目立体视觉的方法重建匹配点对的精度低。通过分析其优缺点,提出了一种基于运动旋量的无迭代快速拼接算法,并针对不同纹理特性的表面实现了多视角快速拼接;（4）为了解决圆柱体等规则几何对...
【文章来源】：桂林电子科技大学广西壮族自治区
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
结构光系统原理示意图
法以及具体过程。结构光系统中将投影仪替换双目立体视觉中的一个相机能够解决立体视觉中对应点匹配的问题，但同时又带来新的问题：投影仪只是一个信息发射设备，不具备信息接收能力。因此投影仪的标定过程需要借助相机来完成。一般将投影仪当作逆光路相机，因此可采用与相机相同的非线性畸变模型对投影仪进行标定。标定的具体步骤如下：（1）根据需要测量的物体大小以及测量范围调节设备之间的相互位置关系。在实验过程中相机与投影仪之间的位置关系是固定的，我们首先需要调焦使得投影仪投射的结构光以及摄像机采集的图像都是最清晰的。其次要注意的是，由于待测物的三维点是通过解码相机拍摄的编码图像而得到的，因此需要保证投影仪的投射范围与相机捕获的区域要尽可能的重叠。（2）选择标定棋盘格，并制作投影仪用的棋盘格。（3）采集棋盘格图像。首先只打开相机采集棋盘格的图像，然后位置保持不动，打开投影仪，向棋盘格投射棋盘格图案，并用相机拍被投射的棋盘格图像，其中一帧如图 2.5（a）与（b）所示：
图 2.7 Gray Code 编码图案幅格雷码编码图案，可以将整个投影范围分为 256 个不同区域，此为 4Pixel，这就导致图像分辨率不是很高。为了解决这个问题，如，这会导致投影数量增多，且相机难以捕获到清晰的编码条纹。的是静态物体，由于格雷码编码图像中的条纹与投射到物体上的确定，并且为了克服投影图案本身的离散特征限制了距离分辨率的格雷码加时间编码中的线移编码方式编码。线移编码分辨率高，精现。利用多幅格雷码编码图案进行编码，因此可以很方便的将最后一幅编码的第一幅图像，这样做的好处是可以很巧妙的区分出格雷码另外重新制作新的线移图案，提高了实验效率。规定用作线移的格为 m Pixel,那么线移图案每往右平移 1 个像素，就会产生一幅新这样的规律，平移 m-1 次后就可以得到所有的线图案，这样就可以采样点来参与计算。以格雷码投影图案条纹最小像素宽度为 4 线移编码图案以及格雷码编码图像分别如图 2.8、图 2.9 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于曲率信息的人工蜂群点云配准算法[J]. 付鲲,陈雷. 计算机应用研究. 2020(04)
[2]基于多重特征匹配的点云配准算法[J]. 李强,高保禄,窦明亮. 计算机应用研究. 2020(02)
[3]六足爬壁机器人的运动学建模与仿真[J]. 邓超锋,魏武,侯荣波,余俊侠. 机械设计与制造. 2018(12)
[4]基于旋量理论和代数消元6R机器人逆解算法[J]. 赵荣波,施智平,关永,邵振洲,王国辉,吴立峰. 传感器与微系统. 2018(12)
[5]基于TOF相机的喷涂工件在线三维重建[J]. 雷禧生,肖昌炎,蒋仕龙. 电子测量与仪器学报. 2017(12)
[6]基于双目视觉的三维重建和拼接技术研究[J]. 吕耀文,康凯. 光电子技术. 2016(04)
[7]化身1号:一个快速的三维彩色全身人像捕捉系统[J]. 程志全,陈寅,宋展,吴彤,王进. 软件学报. 2016(10)
[8]本质矩阵五点算法伪解的两种剔除策略[J]. 王文斌,刘桂华,刘先勇,邱志强. 光电工程. 2010(08)
[9]ICP算法在点云配准中的应用[J]. 戴静兰,陈志杨,叶修梓. 中国图象图形学报. 2007(03)
[10]基于点云数据的复杂型面数字化检测技术研究[J]. 张学昌,习俊通,严隽琪. 计算机集成制造系统. 2005(05)
硕士论文
[1]三维点云数据处理中的若干关键技术研究[D]. 雷玉珍.华中科技大学 2013
本文编号：3087809
【文章来源】：桂林电子科技大学广西壮族自治区
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
结构光系统原理示意图
法以及具体过程。结构光系统中将投影仪替换双目立体视觉中的一个相机能够解决立体视觉中对应点匹配的问题，但同时又带来新的问题：投影仪只是一个信息发射设备，不具备信息接收能力。因此投影仪的标定过程需要借助相机来完成。一般将投影仪当作逆光路相机，因此可采用与相机相同的非线性畸变模型对投影仪进行标定。标定的具体步骤如下：（1）根据需要测量的物体大小以及测量范围调节设备之间的相互位置关系。在实验过程中相机与投影仪之间的位置关系是固定的，我们首先需要调焦使得投影仪投射的结构光以及摄像机采集的图像都是最清晰的。其次要注意的是，由于待测物的三维点是通过解码相机拍摄的编码图像而得到的，因此需要保证投影仪的投射范围与相机捕获的区域要尽可能的重叠。（2）选择标定棋盘格，并制作投影仪用的棋盘格。（3）采集棋盘格图像。首先只打开相机采集棋盘格的图像，然后位置保持不动，打开投影仪，向棋盘格投射棋盘格图案，并用相机拍被投射的棋盘格图像，其中一帧如图 2.5（a）与（b）所示：
图 2.7 Gray Code 编码图案幅格雷码编码图案，可以将整个投影范围分为 256 个不同区域，此为 4Pixel，这就导致图像分辨率不是很高。为了解决这个问题，如，这会导致投影数量增多，且相机难以捕获到清晰的编码条纹。的是静态物体，由于格雷码编码图像中的条纹与投射到物体上的确定，并且为了克服投影图案本身的离散特征限制了距离分辨率的格雷码加时间编码中的线移编码方式编码。线移编码分辨率高，精现。利用多幅格雷码编码图案进行编码，因此可以很方便的将最后一幅编码的第一幅图像，这样做的好处是可以很巧妙的区分出格雷码另外重新制作新的线移图案，提高了实验效率。规定用作线移的格为 m Pixel,那么线移图案每往右平移 1 个像素，就会产生一幅新这样的规律，平移 m-1 次后就可以得到所有的线图案，这样就可以采样点来参与计算。以格雷码投影图案条纹最小像素宽度为 4 线移编码图案以及格雷码编码图像分别如图 2.8、图 2.9 所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于曲率信息的人工蜂群点云配准算法[J]. 付鲲,陈雷. 计算机应用研究. 2020(04)
[2]基于多重特征匹配的点云配准算法[J]. 李强,高保禄,窦明亮. 计算机应用研究. 2020(02)
[3]六足爬壁机器人的运动学建模与仿真[J]. 邓超锋,魏武,侯荣波,余俊侠. 机械设计与制造. 2018(12)
[4]基于旋量理论和代数消元6R机器人逆解算法[J]. 赵荣波,施智平,关永,邵振洲,王国辉,吴立峰. 传感器与微系统. 2018(12)
[5]基于TOF相机的喷涂工件在线三维重建[J]. 雷禧生,肖昌炎,蒋仕龙. 电子测量与仪器学报. 2017(12)
[6]基于双目视觉的三维重建和拼接技术研究[J]. 吕耀文,康凯. 光电子技术. 2016(04)
[7]化身1号:一个快速的三维彩色全身人像捕捉系统[J]. 程志全,陈寅,宋展,吴彤,王进. 软件学报. 2016(10)
[8]本质矩阵五点算法伪解的两种剔除策略[J]. 王文斌,刘桂华,刘先勇,邱志强. 光电工程. 2010(08)
[9]ICP算法在点云配准中的应用[J]. 戴静兰,陈志杨,叶修梓. 中国图象图形学报. 2007(03)
[10]基于点云数据的复杂型面数字化检测技术研究[J]. 张学昌,习俊通,严隽琪. 计算机集成制造系统. 2005(05)
硕士论文
[1]三维点云数据处理中的若干关键技术研究[D]. 雷玉珍.华中科技大学 2013
本文编号：3087809
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