基于編碼結構光的三維重建關鍵技術研究.pdf

1、結構光三維重建技術屬于一種非接觸主動測量技術,具有低成本、高精度、大視場、實時性好和抗干擾能力強等特點,在工業(yè)自動化測量、機器人導航、大規(guī)模復雜三維場景重建、醫(yī)學診斷等領域得到了廣泛的應用。本論文針對內(nèi)窺鏡手術中目標物三維監(jiān)控的需求,選擇使用結構光主動視覺三維重建技術進行研究。
　　結構光技術通過主動投射具有一定顏色或形狀結構的圖案來對場景進行編碼,可實現(xiàn)魯棒和準確的匹配,避免了立體視覺中角點匹配不準引入噪聲的缺點。同時,結構光主

2、動測量技術不需要接觸目標物表面,避免了對目標物的破壞。目前,結構光技術受到關注的方面主要集中在如何提高測量或重建的精度與速度以及如何實現(xiàn)精確的全方位立體重建等。
　　結構光三維重建過程中主要有三個方面會影響最終測量的精度。首先,圖像邊緣信息的檢測及定位不準會帶來誤差;其次,結構光系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)的標定精度也將影響重建精度;另外,對于具體的應用場合,不同的編碼方案的選取會直接決定匹配的準確程度,錯誤的匹配往往會產(chǎn)生噪聲點。因此標定和匹配

3、一直是結構光三維視覺技術的兩個研究熱點,而圖像細節(jié)信息的精確獲取是精確標定和重建的基礎。因此,本文針對以上幾個方面展開了深入的研究。
　　編碼結構光技術中最常遇到的邊緣檢測問題是對編碼條紋的檢測及定位,其結果會直接影響最終的重建精度。使用常用的一階和二階導數(shù)微分算子進行邊緣檢測,方向性較差。針對格雷碼條紋邊界檢測,我們使用一種基于方向可調(diào)自適應濾波器的邊緣檢測方法,該方法具有敏感的方向性,結合使用基于矩恒定原理確定閾值的方法,可以

4、檢測到更多的邊緣信息。
　　在照相機和投影儀光軸平行的結構光系統(tǒng)中,結構光條紋的邊界位置隨目標深度變化僅可以沿極線方向發(fā)生移動,因此,我們針對格雷碼條紋邊緣位置的這一特性提出使用一種基于重心法的條紋邊界定位技術。在該技術中我們還使用了一種基于萬有引力原理的邊緣檢測算子,同時在黑白條紋邊界處加入一個像素寬度的綠色,通過判斷候選邊緣點附近是否存在綠色像素來決定該邊緣點的取舍,有效減少了錯檢,而通過使用自適應閾值的邊緣檢測,減少了漏檢,

5、最終實現(xiàn)了精確而魯棒的子像素級邊緣定位。
　　由于精確的系統(tǒng)參數(shù)將為三維重建和立體測量技術提供精度保障,因此結構光系統(tǒng)標定一直是研究的熱點之一。其中投影儀的標定,尤其是近幾年研究的熱點。本文在對各種標定方法進行分析比較之后,提出一種基于改進的雙頻投影柵線法的標定策略對投影儀進行標定。該方法假定投影儀是一臺倒置的照相機,令其獲取一幅標定靶標圖像,從而使用現(xiàn)有標定照相機的方法標定投影儀。進而對整個照相機投影儀結構光系統(tǒng)進行了精確的標定

6、。該方法避免了復雜的易引入噪聲的去包絡處理。由于使用了回歸分析,去除了噪聲點的影響,使得該方法具有較強的魯棒性。利用再投影靶標圖像的方法來評價標定精度,角點再投影誤差可達到小于1±個像素的精度。
　　對于一個已經(jīng)標定完畢的結構光系統(tǒng),不同的編碼方案需要向場景中投射不同數(shù)量和不同結構的圖案。各種編碼方案中匹配準確程度不同,從而重建的精度不同,各有優(yōu)缺點,我們對格雷碼進行了改進,建立了一個平行軸結構光系統(tǒng)。針對動物內(nèi)臟器官多呈現(xiàn)紅色的