基于計(jì)算機(jī)視覺的三維測試技術(shù)研究.pdf

1、計(jì)算機(jī)視覺(或機(jī)器視覺)是一門新興的交叉科學(xué)，歷經(jīng)20多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套獨(dú)自的基礎(chǔ)理論框架和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法。這種視覺的本質(zhì)就是基于一種或多種算法的實(shí)現(xiàn)過程，而算法的本身卻無一例外地依賴計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。因而機(jī)器視覺也就同名為計(jì)算機(jī)視覺。 在眾多的計(jì)算機(jī)視覺理論算法與系統(tǒng)構(gòu)成中，有幾類是特別適合于三維立體測試從而獲取被測物體的“幾何全貌”。比如接觸式的“三維數(shù)字化”探針儀、非接觸式的“結(jié)構(gòu)光法”三維成像儀和“視差法”三維成像儀。

2、 本研究的中心目的是獲取被測物體的“幾何全貌”，從而展示物體的全面幾何特征(任意點(diǎn)的坐標(biāo))。在深入比較各類三維測試?yán)碚摵图夹g(shù)的基礎(chǔ)上，作者以古典的視差法成像原理為基礎(chǔ)，利用光學(xué)、射影(仿射)幾何、信號處理、運(yùn)籌學(xué)、形態(tài)學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)與誤差理論等學(xué)科知識，對三維測試?yán)碚摵图夹g(shù)進(jìn)行了較為全面的探討和實(shí)際驗(yàn)證。 本文的寫作是對實(shí)際研究工作的理論抽象和總結(jié)。鑒于論文篇幅，有關(guān)研究中使用到的圖像采集子系統(tǒng)、光學(xué)成像子系統(tǒng)、同步控制子

3、系統(tǒng)等硬件設(shè)計(jì)以及各種算法軟件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，本文未作描述。 在前人研究理論和成果的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)、可驗(yàn)證地建立、補(bǔ)充和完善了一套基于視差原理的三維立體測試系統(tǒng)的理論和實(shí)現(xiàn)框架。從相機(jī)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定到相機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)定，從圖形的光學(xué)扭曲校正(Undistortion)到系統(tǒng)極線約束校正(Rectification)，從不同視角圖像的相關(guān)系數(shù)獲取到粗細(xì)匹配技術(shù)，從相關(guān)系數(shù)層析技術(shù)到最大流量－最短路徑的信息提取，從形態(tài)學(xué)濾波到被測物體“幾

4、何全貌”的再現(xiàn)，作者對有關(guān)理論和方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 本研究的全部工作是圍繞解決視差法三維成像中的兩個(gè)基礎(chǔ)性難題(標(biāo)定和對應(yīng)點(diǎn)匹配)而展開的。盡管研究不夠完善，但方法行之有效。作者在研究中所做的工作主要有以下幾個(gè)方面： 在內(nèi)參標(biāo)定的非線性方程求解計(jì)算中，作者引入簡單的最大似然法作為數(shù)值收斂的標(biāo)準(zhǔn)，加快了計(jì)算速度。其缺點(diǎn)是要預(yù)計(jì)標(biāo)定的距離初值(或測距初值)。 在外參的求解中，作者首次設(shè)計(jì)了Z軸無旋轉(zhuǎn)的標(biāo)定方式，大大

5、簡化了計(jì)算的復(fù)雜性。同時(shí)推導(dǎo)和驗(yàn)證了這一標(biāo)定法的方程式和實(shí)現(xiàn)算法。其缺點(diǎn)是不能像傳統(tǒng)的方法一樣任意擺放棋盤，盡管任意性受限并不會(huì)造成標(biāo)定的無效。 在立體成像系統(tǒng)標(biāo)定中，作者提出了極線約束條件下的參數(shù)微調(diào)方法，并在LM法無效的時(shí)候，改進(jìn)和設(shè)計(jì)了一種基于高斯－牛頓法的，在有約束條件下有效地求解非線性數(shù)值解的算法。目前國際上流行的算法是，先解內(nèi)外參，再尋找匹配點(diǎn)的對應(yīng)極線束的最臨近點(diǎn)。這是一種“先參數(shù)，后調(diào)整”的方法，優(yōu)點(diǎn)是求解參數(shù)的

6、理論簡單，算法簡易，每對匹配點(diǎn)的調(diào)整計(jì)算互不影響。但缺點(diǎn)也很明顯：每一對匹配點(diǎn)就需要一次調(diào)整運(yùn)算，N對匹配點(diǎn)要運(yùn)行N次。本文的方法是“先(參數(shù))調(diào)整，后計(jì)算”，省略了N次后續(xù)的調(diào)整運(yùn)算。以10萬對匹配點(diǎn)(足以恢復(fù)一般幾何體的“幾何全貌”)為例，前者算法的計(jì)算量幾乎是后者的10萬倍!作者歷經(jīng)約2年時(shí)間，推導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)了這一算法。 由于采用了上述基于參數(shù)微調(diào)的校正算法，其后續(xù)的三維立體恢復(fù)算法也相應(yīng)地不同于現(xiàn)有理論。所以作者不得不重新推

7、導(dǎo)了相關(guān)的三維立體重建的公式，這是一種以“立體系統(tǒng)校正和參數(shù)調(diào)整”為前提三維測試算法，不適用于未校正系統(tǒng)。 作者采用“多分辨率”技術(shù)來實(shí)現(xiàn)“粗細(xì)匹配”的快速算法，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種基于一元N次方程的亞元素精確解法。 在匹配點(diǎn)的求解中，作者沒有采用“相關(guān)系數(shù)分析→子區(qū)間化→區(qū)間合并→相關(guān)系數(shù)再分析→最短路徑信息提取”的反復(fù)交替式的國際流行的計(jì)算模式，而是獨(dú)立設(shè)計(jì)了一種一次性計(jì)算的“相關(guān)系數(shù)層析→最大流量最短路徑”信息提取法。前