雙目立體視覺和三維重建關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、雙目立體視覺技術(shù)可以從兩幅有視差的平面圖像中提取出三維信息，具有測(cè)量準(zhǔn)確、測(cè)量范圍大、無需結(jié)構(gòu)光等諸多優(yōu)點(diǎn)；三維重建技術(shù)可以根據(jù)三維數(shù)據(jù)信息及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用剖分、曲面擬合等手段恢復(fù)出形象、逼真的原始三維實(shí)體。目前，很多領(lǐng)域?qū)㈦p目立體視覺技術(shù)和三維重建技術(shù)聯(lián)合起來使用。先通過立體視覺技術(shù)獲得三維數(shù)據(jù)信息，再通過三維重建技術(shù)把這些信息恢復(fù)成三維表面或立體結(jié)構(gòu)。因此研究雙目立體視覺和三維重建中的關(guān)鍵技術(shù)，準(zhǔn)確地采集三維數(shù)據(jù)信息，逼真地重建出

2、表面和三維實(shí)體，在虛擬現(xiàn)實(shí)、移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)研究等諸多領(lǐng)域都極具實(shí)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
　　從攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)開始，深入研究了立體視覺中的圖象畸變校正技術(shù)、外極線校準(zhǔn)技術(shù)、預(yù)處理技術(shù)、立體匹配技術(shù)、后處理技術(shù)以及三維重建中的曲面三角剖分技術(shù)。
　　通過分析Tsai兩步法和張正友方法的攝像機(jī)標(biāo)定原理及具體實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了張正友方法標(biāo)定攝像機(jī)的有效性和簡(jiǎn)便性。結(jié)合攝像機(jī)的標(biāo)定結(jié)果，引入隱式畸變校正的思想，構(gòu)建了一種顯-隱式畸變校正模

3、型。此模型可以精確地校正圖像的徑向畸變和切向畸變，且求解非常簡(jiǎn)單，用最小二乘法即可。在分析極線校準(zhǔn)技術(shù)的基本原理后，從圖像空間旋轉(zhuǎn)的思路出發(fā)，提出了一種分步旋轉(zhuǎn)法。此方法原理簡(jiǎn)單，且可以精確地校準(zhǔn)立體圖對(duì)間的對(duì)應(yīng)極線。
　　立體視覺中的預(yù)處理技術(shù)除了要去除每幅圖像中的亮度噪聲，還要平衡立體圖對(duì)間的亮度差異。因此除了對(duì)圖像中的各種噪聲進(jìn)行去除之外，還要考慮如何消除左右圖像間的亮度誤差。在總結(jié)一些典型的去噪方法后，提出了一種四階段的預(yù)

4、處理方法。此方法將均值濾波技術(shù)、高斯-拉普拉斯濾波技術(shù)、直方圖均衡化技術(shù)有機(jī)的融為一體，在有效地去除圖像隨機(jī)噪聲和高斯噪聲的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了立體圖對(duì)間亮度差異的平衡。
　　立體匹配是雙目立體視覺中的核心階段，而區(qū)域匹配在近些年成為各種匹配技術(shù)中的主流。通過對(duì)比多種流行的區(qū)域匹配算法發(fā)現(xiàn)，區(qū)域匹配大致可以劃分為三個(gè)階段：初始匹配代價(jià)生成、候選匹配代價(jià)生成和視差計(jì)算。基于這個(gè)理論，建立了一個(gè)區(qū)域匹配算法測(cè)試平臺(tái)，封裝了大量的區(qū)域匹配算法。

5、在此平臺(tái)下比較不同的區(qū)域匹配方法，可以直觀地判斷出那種算法匹配效果最佳，也可以清晰地看到不同算法的最主要時(shí)耗都在哪個(gè)階段，這就為有針對(duì)性地加以改進(jìn)提供了依據(jù)。
　　在各種區(qū)域匹配方法中，綜合匹配精度和匹配時(shí)間兩項(xiàng)指標(biāo)，動(dòng)態(tài)規(guī)劃立體匹配算法性能最佳。在對(duì)此算法進(jìn)行仔細(xì)研究后發(fā)現(xiàn)，它的執(zhí)行時(shí)間仍可進(jìn)一步降低。針對(duì)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法中控制點(diǎn)求取時(shí)間過長(zhǎng)的問題，提出了一種局部-全局立體匹配算法。此算法首先通過金字塔算法構(gòu)建多分辨率圖像；其次在低

6、分辨率圖像上采用局部最優(yōu)法求取候選控制點(diǎn)；再次在高分辨率上求取最終控制點(diǎn)，并用動(dòng)態(tài)規(guī)劃全局優(yōu)化法完成立體匹配。此方法匹配精度與傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法非常接近，執(zhí)行時(shí)間則大為減少。
　　三維空間中的曲面剖分技術(shù)分為平面投影法和直接剖分法兩大類。直接剖分法執(zhí)行速度快，但在曲面點(diǎn)集數(shù)量龐大的時(shí)候容易出現(xiàn)自交現(xiàn)象。為此，提出了一種組合三角剖分法。此方法將整個(gè)剖分過程分為三個(gè)步驟：首先借鑒分治算法的思想將整個(gè)點(diǎn)集進(jìn)行區(qū)域劃分，以降低其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)

7、雜性；之后在各個(gè)小區(qū)域內(nèi)依據(jù)異側(cè)準(zhǔn)則、法向量夾角最大準(zhǔn)則、域值距離準(zhǔn)則和最小內(nèi)角最大準(zhǔn)則進(jìn)行直接三角剖分；最后根據(jù)三維Delaunay空球準(zhǔn)則進(jìn)行各區(qū)域邊界的連接，從而完成剖分。用這種方法對(duì)曲面散亂點(diǎn)集進(jìn)行剖分，執(zhí)行速度快而且精度高。
　　為了驗(yàn)證在雙目立體視覺階段提出的圖象畸變校正方法、極線校準(zhǔn)方法、預(yù)處理方法、立體匹配方法和三維重建階段提出的剖分方法，設(shè)計(jì)了不同環(huán)境下的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)人頭像耳部重建，驗(yàn)證了提出的各種方法在靜態(tài)