雙目立體視覺自定位線掃描三維測量技術(shù)

1、1緒論11.1研究背景及意義11.2三維測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀11.2.1接觸式三維測量技術(shù)11.2.2非接觸式三維測量技術(shù)21.3視覺三維測量方法的研究現(xiàn)狀31.4研究目的及研究內(nèi)容42雙目視覺自定位線掃描測量原理及組成62.1測量系統(tǒng)的基本原理62.2雙目視覺三維重建數(shù)學(xué)推導(dǎo)82.3極線匹配的數(shù)學(xué)推導(dǎo)102.4本章小結(jié)123雙目立體視覺系統(tǒng)標(biāo)定143單目相機(jī)標(biāo)定相關(guān)概念的概述153.1.1單目相機(jī)標(biāo)定的定義153.1.2單目相機(jī)的成像模型153.1.2.1成像模型的簡述153.1.2.2成像過程中各個參考系的定義163.1.2.3單目相機(jī)成像模型的數(shù)學(xué)推導(dǎo)173.2張正友單目相機(jī)標(biāo)定203.2

2、.1單應(yīng)性矩陣H的計算203.2.2單目相機(jī)內(nèi)、外參數(shù)的計算213.2.2.1單目相機(jī)內(nèi)參數(shù)矩陣A的計算213.2.2.2單目相機(jī)外參數(shù)的計算22322.3單目相機(jī)畸變系數(shù)的計算233.3雙目相機(jī)外參數(shù)的標(biāo)定與系統(tǒng)模型的建立233.3.1系統(tǒng)模型的建立233.3.2雙目相機(jī)外參數(shù)的計算263.3.2.1外參數(shù)初始值的計算2633.2.2基于標(biāo)準(zhǔn)長度的外參數(shù)優(yōu)化263.4本章小結(jié)27V4線激光的提取、細(xì)化和三維瑩建284圖像中線激光條紋的提取和細(xì)化284.1.1圖像中線激光條紋的提取284.1.2圖像中線激光條紋的細(xì)化294.2左、右圖像中線激光的立體匹配314.3單條線激光的三維重建實驗334

3、.4本章小結(jié)355自定位點云拼接365圖像中標(biāo)志圓心的提取365.2左、右圖像中標(biāo)志圓心的極線匹配385.3標(biāo)志圓心的三維重建395.4基于標(biāo)志圓的自定位點云拼接395.4.1空間中標(biāo)志圓心的三角模板匹配415.4.2線激光三維坐標(biāo)的點云拼接425.5本章小結(jié)436三維測量系統(tǒng)設(shè)計和實驗分析446三維測量系統(tǒng)的設(shè)計446.1.1硬件系統(tǒng)的設(shè)計446.1.2軟件系統(tǒng)的設(shè)計456.2雙目視覺自定位線掃描三維測量實驗466.2.1實驗方案概述466.2.2雙目工業(yè)相機(jī)成像系統(tǒng)的標(biāo)定實驗466.2.2.1計算雙目工業(yè)相機(jī)成像系統(tǒng)的內(nèi)、外參數(shù)466.2.2.2雙目相機(jī)標(biāo)定的精度分析476.2.3物體外貌

4、的三維更建486.2.4三維重建的精度分析516.2.5雕塑人頭像的三維重建實驗 526.3本章小結(jié) 557全文總結(jié)和工作展望 567.1全文總結(jié) 567.2工作展望57參考文獻(xiàn)58插圖清單圖1便攜式三坐標(biāo)測量機(jī)（FAROGage） 2圖1.2手持式3D激光掃描儀3圖1.3激光三角法原理圖3圖1.4線激光三角法三維測量4圖2.1系統(tǒng)組成原理圖6圖2.2線激光掃描三維測量流程圖7圖2.3雙目立體視覺三維測量原理圖.18圖2.4極線幾何成像模型11圖3.1單冃相機(jī)成像模型16圖3.2傳統(tǒng)的平面靶標(biāo)（左圖）和方向性平面靶標(biāo)（右圖）24圖3.3雙目相機(jī)標(biāo)定的系統(tǒng)模型25圖4.1灰度圖像f（u,v）的雙

5、峰圖28圖4.2左、右相機(jī)拍攝的線激光條紋（實驗圖）29圖4.3左、右圖像中線激光條紋的提?。▽嶒瀳D）29圖4.4左、右圖像中線激幾條紋的細(xì)化處理（實驗圖）31圖4.5單條線激光的三維重建效果圖（實驗圖）33圖5.1圖像中標(biāo)志圓心的提?。ㄋ惴鞒虉D）37圖5.2左、右圖像中標(biāo)志圓心的提取和極線匹配38圖5.3基于標(biāo)志圓的自定位點云拼接原理圖40圖6.1雙目視覺線激光掃描三維測量系統(tǒng)44圖6.2方向性平面靶標(biāo)（實物圖）45圖6.3三維測量系統(tǒng)的軟件界面45圖6.4雙目相機(jī)拍攝的8幅左標(biāo)定圖像和8幅右標(biāo)定圖像46圖6.5雙目立體視覺標(biāo)定實驗中計算的標(biāo)準(zhǔn)長度Li48圖6.6雙目立體視覺標(biāo)定實驗中計算

6、的標(biāo)準(zhǔn)長度誤差（LiL0） 48圖6.7三維測量實驗中的被測物體（實物圖） 49圖6.8線激光掃描被測物體的表面（實驗圖）49圖6.9祓測物體表面的三維坐標(biāo)點云50圖6.10彼測物體表面的三維重建（實驗圖）50圖6.11披測物面中平面1的擬合實驗圖51圖6.12被測物面中平面2的擬合實驗圖51圖6.13被測物體表面的垂直度測量52圖6. 14雕塑人頭像的實物圖53圖6. 15線激光掃描雕塑人頭像（實驗圖）53圖6. 16雕塑人頭像中人臉部位一個側(cè)面的三維坐標(biāo)點云54圖6. 17雕塑人頭像中人臉部位一個側(cè)面的三維重建效果圖54VII表格清單表3.1單目相機(jī)的模型參數(shù)15表4.1單條線激光的三維坐

7、標(biāo) 34表51匹配的標(biāo)志圓心圖像像索坐標(biāo)和對應(yīng)的標(biāo)志圓心三維坐標(biāo)（實驗數(shù)據(jù)）398第一章緒論1緒論1.1研究背景及意義本論文研究的內(nèi)容來源于“國家科技支撐計劃項目國家重大儀器專項”中的 部分研究內(nèi)容。為了滿足三維測量的應(yīng)用需求，研制了一套雙目立體視覺自定位 線掃描三維測量儀器，為物體形貌三維測量的實現(xiàn)提供了技術(shù)積累。軍工制造、醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對物體形貌測量有了新要求。特別 是工業(yè)生產(chǎn)中汽車輪廓的三維測量，軍工制造中飛機(jī)、船舶發(fā)動機(jī)輪廓的三維測 量。為了滿足實際應(yīng)用的需求，國內(nèi)、外科學(xué)工作人員專注于新型三維測量的研 發(fā)。英國Marr教授（1977）提出了 “Marr視覺理論”【“】。從

8、這以后視覺無損測 最技術(shù)得到極快地發(fā)展。目前，對于視覺無損測量技術(shù)的認(rèn)知，國內(nèi)仍然落后于國外。為了滿足工業(yè) 生產(chǎn)、軍工制造等領(lǐng)域的發(fā)展需求，國外發(fā)達(dá)國家投入大量的人力、物力研發(fā)計 算機(jī)視覺三維測量技術(shù)，經(jīng)過多年的技術(shù)積累，國外公司研發(fā)了許多高性能的計 算機(jī)視覺三維測量儀器，但是這些三維測量儀器售價昂貴。為了縮小這種差距，國內(nèi)一些奇校、企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)都己開展了視覺無損測 量技術(shù)的研允，并且取得了一定的技術(shù)成果，例如，合肥工業(yè)大學(xué)利用數(shù)字條紋 投彫實現(xiàn)了物體外貌的三維測量。但是和國外相比，國內(nèi)的計算機(jī)視覺三維測量 技術(shù)還很不成熟，計算機(jī)視覺三維測量的相關(guān)理論仍需要進(jìn)一步研究，為此本文 若重研究雙目立體視覺自定位線掃描三維測量技術(shù)，研究了雙目立體視覺三維測 量的原理和相關(guān)的數(shù)字圖像處理算法。1.2三維測量技術(shù)的研究現(xiàn)狀工業(yè)生產(chǎn)、軍工制造、醫(yī)學(xué)應(yīng)用等領(lǐng)域都需要獲取物體三維形貌信息，人們 研究了不同的三維測量原理，利用這些三維測量原理開發(fā)出不同的三維測凰儀器。1.2.1接觸式三維測量技術(shù)該技術(shù)主要利用測頭系統(tǒng)輕輕地觸碰待測物體表面，從而獲得觸碰點處的三 維坐標(biāo)，為了垂建物體表面輪廓測頭系統(tǒng)需要逐點遍歷整個待測表面。例如，