低成本深度摄像机三维扫描平台的设计与研究

发布时间：2017-10-14 02:23

  本文关键词：低成本深度摄像机三维扫描平台的设计与研究

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【摘要】：三维扫描系统是一种利用光学和计算机技术对被测物体进行图像数据采集并重建其三维模型的新型测量方法,它能够实现目标对象三维模型的快速建立。与传统建模方式相比,三维扫描速度更快,使用更方便。针对国内外同类产品成本高,自动化程度低,操作难度大的现状,结合企业实际需要,利用低成本深度摄像机及配套机电设备,搭建了自动化三维扫描实验平台并完成了三维扫描软件产品原型的开发。首先,分析了国内外相关产品的发展现状和存在的问题。通过划分用户角色,对产品进行了详细的需求分析,提出了系统软硬件总体设计方案。其次,基于PCL构建了完整的三维扫描流水线。实现了数据采集模块、图像处理模块、点云的配准和融合模块以及曲面重建模块。将数据重放技术引入数据采集模块,扩展了数据输入方式。提出基于数据重放技术的模型细节优化方法则是本文的一个创新点。再次,基于Qt框架开发了三维扫描软件的用户界面和完整功能。基于软件分层设计思想,设计了软件的数据交换层,实现了软件的解耦合和模块化。开发了下位机通信模块。基于OpenGL为三维重建过程中产生的多种数据类型开发了相应的可视化模块和编辑功能。最后,对扫描工作台进行了设计和装配,开发了下位机控制系统和基于Android的手持控制器,极大地提高了三维扫描的自动化程度。基于以上软硬件条件,对系统进行了完整的功能测试并通过扫描案例展示了系统的使用效果。实验表明,系统软硬件功能完备,运行稳定,能够达到预期设计目标。
【关键词】：三维重建 三维可视化 图像处理 系统集成
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN948.41;TP311.52
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 课题背景与研究意义10-11
• 1.2 三维扫描技术简介11-12
• 1.3 国内外研究现状12-16
• 1.3.1 深度相机发展现状12-13
• 1.3.2 基于Kinect的三维重建技术研究现状13-14
• 1.3.3 民用三维扫描软件发展现状14-16
• 1.4 本论文主要研究内容和组织结构16-18
• 1.4.1 主要研究内容16
• 1.4.2 论文组织结构16-18
• 第二章 系统需求分析及软硬件总体设计18-26
• 2.1 用户需求分析18-19
• 2.1.1 普通用户的需求分析19
• 2.1.2 开发人员用户需求分析19
• 2.2 功能需求分析19-20
• 2.2.1 软件功能需求分析19-20
• 2.2.2 工作台功能需求分析20
• 2.3 三维扫描软件架构设计20-23
• 2.3.1 软件运行平台及开发工具20-21
• 2.3.2 第三方开源类库简介21-22
• 2.3.3 软件架构设计22-23
• 2.4 工作台控制系统硬件平台23-24
• 2.4.1 Arduino控制模块23-24
• 2.4.2 电机驱动模块24
• 2.4.3 转盘控制模块24
• 2.4.4 人机交互模块24
• 2.5 本章小结24-26
• 第三章 三维重建流水线的构建26-44
• 3.1 基于OpenNI的深度数据采集26-29
• 3.1.1 Kinect设备及其成像原理26-27
• 3.1.2 基础数据采集模块27-29
• 3.2 深度数据图像处理29-32
• 3.2.1 图像预处理算法及其GPU实现29-31
• 3.2.2 点云与法线计算31-32
• 3.3 点云融合及后处理32-34
• 3.3.1 点云配准及融合算法32-33
• 3.3.2 离群点集移除33-34
• 3.4 点云曲面重建34-39
• 3.4.1 移动立方体算法原理34-35
• 3.4.2 基于GPU的移动立方体重建35-39
• 3.5 基于关键帧重放的细节优化方法39-43
• 3.5.1 数据重放模块39-41
• 3.5.2 模型优化方法及结果对比41-43
• 3.6 本章小结43-44
• 第四章 三维扫描系统软件设计44-60
• 4.1 界面与主控制程序设计44-48
• 4.1.1 Qt框架概述44-45
• 4.1.2 软件界面布局设计45-46
• 4.1.3 主界面业务逻辑实现46-48
• 4.2 数据交互模块48-51
• 4.2.1 资源管理与智能指针技术48
• 4.2.2 数据交互接口对象48-50
• 4.2.3 上位机软件数据交互流程50-51
• 4.3 基于OpenGL的可视化模块51-56
• 4.3.1 2D图像可视化模块51-53
• 4.3.2 曲面可视化模块53-54
• 4.3.3 点云可视化模块54-55
• 4.3.4 基于可视化的点云编辑及噪声剔除55-56
• 4.4 下位机通信模块及控制面板56-59
• 4.4.1 串口通信模块56-57
• 4.4.2 脚本管理模块57-58
• 4.4.3 运动控制模块58-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 三维扫描工作台整机设计60-68
• 5.1 机械结构设计60-61
• 5.2 步进电机与细分技术61-62
• 5.3 控制系统软件设计62-65
• 5.3.1 软件执行流程62-63
• 5.3.2 脚本解析63-64
• 5.3.3 任务队列64-65
• 5.4 基于Android的移动端控制器设计65-67
• 5.4.1 移动端人机界面设计65-66
• 5.4.2 软件功能实现66-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 系统调试及扫描试验68-76
• 6.1 工作台功能测试68-70
• 6.1.1 点动模式测试68-69
• 6.1.2 编程模式测试69-70
• 6.2 软件功能测试及扫描实验70-74
• 6.2.1 软件功能测试70-72
• 6.2.2 扫描案例展示与分析72-74
• 6.3 软件性能分析74-75
• 6.4 本章小结75-76
• 第七章 总结与展望76-78
• 7.1 总结76
• 7.2 展望76-78
• 致谢78-80
• 参考文献80-82

【参考文献】

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本文编号：1028456