基于结构光的三维视觉测量研究
发布时间：2021-07-26 11:07
随着经济的发展,人们对生活质量的追求越来越高,国家对智能化产业越来越重视,体现计算机视觉越显重要,它在逆向设计、人体重建、医学领域等领域,能够提供虚拟现实、定位等技术,能够降低成本、提高效率。结构光测量是计算机视觉的重要技术之一,结构光三维测量技术是一种非接触的光学三维测量方法,其基本原理为使用计算机生成结构光图案,利用投影仪投影到物体表面,然后对图案进行解码等一系列图像处理完成三维重建。然而,现有的方法大多需要对设计的模式进行多次投影来实现封闭形式的解决方案,这使得它们无法测量动态对象。本文提出了一种基于双相机的结构光三维重建方法,并通过实验验证了该方法的有效性。本文以结构光为基础,主要研究了双相机的三维重建方法,并将重建方法应用到实际测量中去,主要内容如下:（1）深入研究了结构光的三维测量相关理论、方法和关键技术,从数学角度分析了四大坐标系的转换关系和内外参数,同时分析了对极几何的原理,结合以上几点建立了一种基于双视图极线约束的结构光重构方法的系统模型。（2）对本文搭建的系统的组成硬件组成进行了陈述,并分析出双相机的转换关系根据双相机的转换关系完成双相机标定,得到了摄像机的内外参数...
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1条纹投影的三维成像系统实例Fig.1Anexampleof3Dimagingsystemforfringeprojection
山东理工大学硕士学位论文第二章系统平台的搭建以及数学模型的建立9第二章系统平台的搭建以及数学模型的建立本章首先介绍了系统平台的组成部分以及系统的工作原理，然后对系统中所采用的相机的模型从数学角度进行了描述，表述了相机中基本的四大坐标系的转换关系以及内外参数，此外从对极几何的原理出发建立了系统的数学模型。2.1系统的平台搭建及工作原理本文所用从硬件和软件两个部分为主要切入点来实现三维测量系统。软件部分即利用计算机负责数据采集及后续处理。而硬件部分则是选择摄像机和投影仪的性能参数及搭建系统平台。本文研究的系统构建主要通过投影仪投射RGB点图案以及左右相机同步抓取待测物体数据信息。详见图2.1。图2.1系统组成示意图Fig.2.1Systemcompositiondiagram首先由投影仪向被测物体投射编码结构光图案即本文编码的RGB图案，然后两旁的摄像机根据被测物表面轮廓抓取特征点位，完成二维图形的收集，系统根据传输的物体不同角度的二维图像，进行数据的运算处理，分析计算出被测物的三维点云数据，完成对被测物的三维建模。2.2摄像机模型2.2.1相机四大坐标转换与内外参数小孔成像模型[13-16]是摄像机模型的基本模型，通常也叫线性模型,这种模型由
山东理工大学硕士学位论文第二章系统平台的搭建以及数学模型的建立10一个34矩阵描述。摄像机的基本成像模型为基本针孔模型，主要是从三维空间到平面中心投影所得。通过图2.2(a)可得，cO为摄像机的摄影中心，cO到平面π的距离用f表示。空间点在平面π上所成的像cO是以cM为端点，并经过点的射线及平面π的交点。平面π是摄像机的成像面，点cO是摄像机光心，f则是摄像机的焦距，以光心cO为原点且垂直于成像面的射线称为主轴，主轴与成像面的交点称为相机主点。图2.2摄像机的基本成像几何模型Fig.2.2Thebasicimaginggeometricmodelofthecamera本文根据相应的数据原理并建立相应的坐标系对上图的映射关系进行表述。如图2.2(b)所示，定义了四组坐标系，具体如下：（1）像素坐标系像素坐标系是建立在相机成像面上的二维坐标系，单位为像素（pixel），表示整幅图像上像素点的行数与列数，原点为相机成像面左上角的初始像素点位置，其坐标系为O-uv，v轴与y轴方向一致。（2）成像面坐标系成像面坐标系pxy又称物理坐标系，单位为毫米（mm），用来表示像素点在图像中的物理位置，相机光轴与相机成像面的交点处为成像面坐标系的原点p，以水平线作为x轴，以垂直线作为y轴。理想状况下，成像面坐标系的原点O位于像素坐标系的中心,但由于相机及镜头制造的原因会出现少量偏差。（3）相机坐标系相机坐标系ccccOxyz原点cO位于相机光心，以主轴为cZ轴，设定经过cO且平行于cy轴的直线为y轴，将经过cO且平行于cx轴的直线为x轴，相机坐标系的坐标
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非接触式方法的三维重建技术综述[J]. 陈华祯,张昂,马晓倩. 电子世界. 2020(03)
[2]基于三次自然样条曲线的安全监测插值程序及实现[J]. 汪国斌,赵志勇. 云南水力发电. 2018(05)
[3]一种基于组稀疏的阵列干涉SAR三维重建方法[J]. 李杭,梁兴东,张福博,丁赤飙,吴一戎. 中国科学:信息科学. 2018(08)
[4]基于样条插值方法的非圆齿轮节曲线设计缺陷的修正[J]. 刘琴琴,吕刚,邓星桥. 机械传动. 2018(05)
[5]沉降预测中三次样条插值和1stOpt插值的比较研究[J]. 王彦之,王天剑. 鲁东大学学报(自然科学版). 2017(04)
[6]基于动态散斑的光学相干层析成像技术[J]. 陈俊波,曾亚光,袁治灵,唐志列. 光学学报. 2018(01)
[7]图像插值技术综述[J]. 钟宝江,陆志芳,季家欢. 数据采集与处理. 2016(06)
[8]基于相移和颜色分光的电子散斑干涉瞬态三维变形测量方法[J]. 孙流星,于瀛洁. 光学仪器. 2016(01)
[9]基于MATLAB对相机标定的研究[J]. 陈陆义. 科技创新与应用. 2016(03)
[10]采用三次样条插值数字化压缩e—p曲线[J]. 杨兆兵,刘俊,夏继宗. 山西建筑. 2014(35)
博士论文
[1]大尺寸光学元件在位干涉拼接检测关键技术研究[D]. 武欣.上海大学 2017
[2]视觉修复的图像编码与认知研究[D]. 郭虹.上海交通大学 2010
[3]基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究[D]. 李中伟.华中科技大学 2009
[4]数字近景工业摄影测量关键技术研究与应用[D]. 黄桂平.天津大学 2005
硕士论文
[1]基于双目结构光的风电叶片测量技术研究[D]. 王亚萍.华中科技大学 2019
[2]基于结构光的三维形貌视觉测量方法研究[D]. 马晨.西安理工大学 2018
[3]基于双目视觉的三维轮廓测量技术研究[D]. 单思宇.中国科学技术大学 2018
[4]基于对极几何理论的视觉定位算法研究[D]. 薛昊.哈尔滨工业大学 2016
[5]基于双目视觉的三维重建研究与实现[D]. 张建.西南交通大学 2015
[6]基于编码结构光的三维视觉测量系统研究[D]. 李玉欣.上海交通大学 2010
[7]基于编码结构光的三维重建[D]. 邢文哲.西安电子科技大学 2009
[8]人体三维重建关键技术研究[D]. 许寒.中国人民解放军国防科学技术大学 2002
[9]逆向工程技术的研究与工程应用[D]. 袁平.昆明理工大学 2002
本文编号：3303450
【文章来源】：山东理工大学山东省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图1条纹投影的三维成像系统实例Fig.1Anexampleof3Dimagingsystemforfringeprojection
山东理工大学硕士学位论文第二章系统平台的搭建以及数学模型的建立9第二章系统平台的搭建以及数学模型的建立本章首先介绍了系统平台的组成部分以及系统的工作原理，然后对系统中所采用的相机的模型从数学角度进行了描述，表述了相机中基本的四大坐标系的转换关系以及内外参数，此外从对极几何的原理出发建立了系统的数学模型。2.1系统的平台搭建及工作原理本文所用从硬件和软件两个部分为主要切入点来实现三维测量系统。软件部分即利用计算机负责数据采集及后续处理。而硬件部分则是选择摄像机和投影仪的性能参数及搭建系统平台。本文研究的系统构建主要通过投影仪投射RGB点图案以及左右相机同步抓取待测物体数据信息。详见图2.1。图2.1系统组成示意图Fig.2.1Systemcompositiondiagram首先由投影仪向被测物体投射编码结构光图案即本文编码的RGB图案，然后两旁的摄像机根据被测物表面轮廓抓取特征点位，完成二维图形的收集，系统根据传输的物体不同角度的二维图像，进行数据的运算处理，分析计算出被测物的三维点云数据，完成对被测物的三维建模。2.2摄像机模型2.2.1相机四大坐标转换与内外参数小孔成像模型[13-16]是摄像机模型的基本模型，通常也叫线性模型,这种模型由
山东理工大学硕士学位论文第二章系统平台的搭建以及数学模型的建立10一个34矩阵描述。摄像机的基本成像模型为基本针孔模型，主要是从三维空间到平面中心投影所得。通过图2.2(a)可得，cO为摄像机的摄影中心，cO到平面π的距离用f表示。空间点在平面π上所成的像cO是以cM为端点，并经过点的射线及平面π的交点。平面π是摄像机的成像面，点cO是摄像机光心，f则是摄像机的焦距，以光心cO为原点且垂直于成像面的射线称为主轴，主轴与成像面的交点称为相机主点。图2.2摄像机的基本成像几何模型Fig.2.2Thebasicimaginggeometricmodelofthecamera本文根据相应的数据原理并建立相应的坐标系对上图的映射关系进行表述。如图2.2(b)所示，定义了四组坐标系，具体如下：（1）像素坐标系像素坐标系是建立在相机成像面上的二维坐标系，单位为像素（pixel），表示整幅图像上像素点的行数与列数，原点为相机成像面左上角的初始像素点位置，其坐标系为O-uv，v轴与y轴方向一致。（2）成像面坐标系成像面坐标系pxy又称物理坐标系，单位为毫米（mm），用来表示像素点在图像中的物理位置，相机光轴与相机成像面的交点处为成像面坐标系的原点p，以水平线作为x轴，以垂直线作为y轴。理想状况下，成像面坐标系的原点O位于像素坐标系的中心,但由于相机及镜头制造的原因会出现少量偏差。（3）相机坐标系相机坐标系ccccOxyz原点cO位于相机光心，以主轴为cZ轴，设定经过cO且平行于cy轴的直线为y轴，将经过cO且平行于cx轴的直线为x轴，相机坐标系的坐标
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于非接触式方法的三维重建技术综述[J]. 陈华祯,张昂,马晓倩. 电子世界. 2020(03)
[2]基于三次自然样条曲线的安全监测插值程序及实现[J]. 汪国斌,赵志勇. 云南水力发电. 2018(05)
[3]一种基于组稀疏的阵列干涉SAR三维重建方法[J]. 李杭,梁兴东,张福博,丁赤飙,吴一戎. 中国科学:信息科学. 2018(08)
[4]基于样条插值方法的非圆齿轮节曲线设计缺陷的修正[J]. 刘琴琴,吕刚,邓星桥. 机械传动. 2018(05)
[5]沉降预测中三次样条插值和1stOpt插值的比较研究[J]. 王彦之,王天剑. 鲁东大学学报(自然科学版). 2017(04)
[6]基于动态散斑的光学相干层析成像技术[J]. 陈俊波,曾亚光,袁治灵,唐志列. 光学学报. 2018(01)
[7]图像插值技术综述[J]. 钟宝江,陆志芳,季家欢. 数据采集与处理. 2016(06)
[8]基于相移和颜色分光的电子散斑干涉瞬态三维变形测量方法[J]. 孙流星,于瀛洁. 光学仪器. 2016(01)
[9]基于MATLAB对相机标定的研究[J]. 陈陆义. 科技创新与应用. 2016(03)
[10]采用三次样条插值数字化压缩e—p曲线[J]. 杨兆兵,刘俊,夏继宗. 山西建筑. 2014(35)
博士论文
[1]大尺寸光学元件在位干涉拼接检测关键技术研究[D]. 武欣.上海大学 2017
[2]视觉修复的图像编码与认知研究[D]. 郭虹.上海交通大学 2010
[3]基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究[D]. 李中伟.华中科技大学 2009
[4]数字近景工业摄影测量关键技术研究与应用[D]. 黄桂平.天津大学 2005
硕士论文
[1]基于双目结构光的风电叶片测量技术研究[D]. 王亚萍.华中科技大学 2019
[2]基于结构光的三维形貌视觉测量方法研究[D]. 马晨.西安理工大学 2018
[3]基于双目视觉的三维轮廓测量技术研究[D]. 单思宇.中国科学技术大学 2018
[4]基于对极几何理论的视觉定位算法研究[D]. 薛昊.哈尔滨工业大学 2016
[5]基于双目视觉的三维重建研究与实现[D]. 张建.西南交通大学 2015
[6]基于编码结构光的三维视觉测量系统研究[D]. 李玉欣.上海交通大学 2010
[7]基于编码结构光的三维重建[D]. 邢文哲.西安电子科技大学 2009
[8]人体三维重建关键技术研究[D]. 许寒.中国人民解放军国防科学技术大学 2002
[9]逆向工程技术的研究与工程应用[D]. 袁平.昆明理工大学 2002
本文编号：3303450
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