【摘要】：三維信息獲取技術在許多領域有重要的應用,是當前信息科學研究的一個重要熱點。在本論文中,作者以三維掃描儀研制為背景,研究三維信息獲取的理論和技術,并作為主要研究者之一開發(fā)了非對稱雙相機結構光三維掃描系統(tǒng),進行了多方面的應用研究和實驗,取得了一些有意義的成果。 本文首先對現(xiàn)有的三維信息獲取方法進行了總結和分類,分析了這些方法的優(yōu)點和缺陷,指出了當前該領域亟待解決的問題及研究的熱點。 在介紹相機模型的基礎上,給出了兩種結構光三維信息獲取的算法。提出了基于平面約束的 DLT 模型,給出了該模型的定標算法和相應的實驗結果。 對結構光系統(tǒng)的測量盲區(qū)問題進行了深入研究。對盲區(qū)的成因進行了分析和歸類。通過分析指出,盲區(qū)的形成與結構光測量單元的參數(shù)、測量單元與物體的相對位置以及物體的幾何外形有密切關系。給出了系統(tǒng)有效視場的判據(jù),提出了絕對盲區(qū)的定義和判據(jù)。在深入分析盲區(qū)成因的基礎上,提出了解決盲區(qū)的方案,指出通過改變結構光測量單元的參數(shù)、增加視點或結構光源,可以有效地改善遮擋的情況,而通過結構光測量單元的多自由度運動、多方位掃描,可以解決大部分盲區(qū)問題。分析了雙相機系統(tǒng)中兩相機圖像的對應關系,提出了相應的定標算法。實驗結果證明了這些分析和算法的正確性和有效性。 在總結前人工作的基礎上,從系統(tǒng)的角度,對三維信息獲取系統(tǒng)的誤差來源、成因以及誤差傳遞進行了詳細地分析。以結構光旋轉掃描系統(tǒng)為例,分析了采樣量化誤差對系統(tǒng)的影響,提出了系統(tǒng)有效量程、深度方向像素分辨率的計算公式。研究了結構光旋轉掃描系統(tǒng)中的偏心誤差問題,提出了誤差模型、偏心參數(shù)定標算法和誤差校正算法,實驗結果證明了這些模型和算法的正確性。分析了結構光條紋定位誤差對結果的影響,指出了影響結構光條紋準確定位的原因。在這些分析的基礎上,提出了減少系統(tǒng)誤差的有效方案。 介紹了信息融合的基本理論和方法,指出了信息融合對于三維信息獲取系統(tǒng)的重要意義。對系統(tǒng)中多源信息進行了分析。提出了基于多方法融合的特殊反射區(qū)域三維信息獲取方案,基于多方位信息融合的色彩信息獲取方法,介紹了雙相機信息融合方案。實驗結果表明,這些方法能有效地克服傳統(tǒng)結構光方法的一些
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2002
【分類號】：TP334.22;TP391.41
【圖文】：

(a) 同心圓柱定標模塊 (b) 同心圓柱定標模塊圖像 (c) 平面定標模塊圖案 (d) 平面定標模塊圖像圖 3-4 定標模塊設計及拍攝的定標圖像調整定標模塊的位置令其中軸鉛直，結構光平面通過中軸投射于標準件上，形成光條紋，取每個圓柱上下緣的光條紋上的點為定標標志點和驗算點，其尺寸很容易從標準件的尺寸得到。圖 3-4(b)是拍攝的定標圖像。也可以在標準件表面加上便于識別的標記作為標志點。由于平面約束的 DLT 模型只需要對平面定標，也可以采用如圖 3-4(c)所示的定標模塊，在平板上標志出這些圖案，定標時令結構光平面與平板面重合即可，系統(tǒng)采集的定標圖像如圖 3-4(d)。這種模塊標志點定位精度比較高，但調整比較困難�？紤]對系統(tǒng)其它參數(shù)的標定（如偏心參數(shù)和左右相機參數(shù)），我們采用圓柱形定標模塊。一次實驗得到的定標參數(shù)矩陣為： =0.00060.00051.00000.3953-2.9132428.6437-1.16200.1613334.8780A

(c) 右相機拍攝無遮擋的光條紋 (d) 根據(jù)左相機圖像計算右相機圖像的結果圖 3-16 雙相機定標和映射實驗 3-16(a)為右相機拍攝的圖像，可以看到其中由于遮擋的影響光條 3-16(b) 為左相機拍攝的圖像,在這一側由于沒有遮擋，光條紋完整雙相機映射參數(shù)，從左相機圖像計算右相機圖像，結果為圖 3-16(d)，結果圖像仍取原圖像大小，不在重合視野的部分用固定值填充）。圖遮擋物后右相機拍攝到的圖像。對比圖 3-16(c)和圖 3-16(d)可以看的結果和實際拍攝的圖像非常吻合，證明有關的分析和算法是正確多方位掃描與多關節(jié)測量臂前面的分析看到，為了有效的解決盲區(qū)問題，必需采用多方位測量、多方向掃描用這一技術后，會引入一些新的問題，主要有：多視點坐標變換、多自由度高精統(tǒng)定位、多視點采樣深度數(shù)據(jù)配準和拼合等。

圖 3-18 多關節(jié)機械測量臂實物為實現(xiàn)多方位掃描測量，必需有合適元的運動平臺。這樣伺服裝置要求運動選用高精度車床、三坐標測量儀等作為用靈活而有特殊的優(yōu)點。多關節(jié)機械測量臂由多個桿件和可轉實時測量，根據(jù)桿件長度等系統(tǒng)參數(shù)和機 器 人 學 中 ， 對 這 類 機 械 臂 的 定 Denevit-Hartenberg 桿件坐標系理論進圖 3-18 是一種多關節(jié)機械測量臂的理模型。設桿件i與桿件 i 1通過關節(jié)i相i 坐標系iiiiO xyz（均為右手系）定義如 Romer 公司產(chǎn)品，見 http://www.romer.com

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本文編號：2755756