【摘要】：三維信息獲取技術(shù)在許多領(lǐng)域有重要的應(yīng)用,是當(dāng)前信息科學(xué)研究的一個(gè)重要熱點(diǎn)。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(shù),并作為主要研究者之一開發(fā)了非對(duì)稱雙相機(jī)結(jié)構(gòu)光三維掃描系統(tǒng),進(jìn)行了多方面的應(yīng)用研究和實(shí)驗(yàn),取得了一些有意義的成果。 本文首先對(duì)現(xiàn)有的三維信息獲取方法進(jìn)行了總結(jié)和分類,分析了這些方法的優(yōu)點(diǎn)和缺陷,指出了當(dāng)前該領(lǐng)域亟待解決的問題及研究的熱點(diǎn)。 在介紹相機(jī)模型的基礎(chǔ)上,給出了兩種結(jié)構(gòu)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(biāo)算法和相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 對(duì)結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的測(cè)量盲區(qū)問題進(jìn)行了深入研究。對(duì)盲區(qū)的成因進(jìn)行了分析和歸類。通過分析指出,盲區(qū)的形成與結(jié)構(gòu)光測(cè)量單元的參數(shù)、測(cè)量單元與物體的相對(duì)位置以及物體的幾何外形有密切關(guān)系。給出了系統(tǒng)有效視場(chǎng)的判據(jù),提出了絕對(duì)盲區(qū)的定義和判據(jù)。在深入分析盲區(qū)成因的基礎(chǔ)上,提出了解決盲區(qū)的方案,指出通過改變結(jié)構(gòu)光測(cè)量單元的參數(shù)、增加視點(diǎn)或結(jié)構(gòu)光源,可以有效地改善遮擋的情況,而通過結(jié)構(gòu)光測(cè)量單元的多自由度運(yùn)動(dòng)、多方位掃描,可以解決大部分盲區(qū)問題。分析了雙相機(jī)系統(tǒng)中兩相機(jī)圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系,提出了相應(yīng)的定標(biāo)算法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這些分析和算法的正確性和有效性。 在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上,從系統(tǒng)的角度,對(duì)三維信息獲取系統(tǒng)的誤差來源、成因以及誤差傳遞進(jìn)行了詳細(xì)地分析。以結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)掃描系統(tǒng)為例,分析了采樣量化誤差對(duì)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(jì)算公式。研究了結(jié)構(gòu)光旋轉(zhuǎn)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(biāo)算法和誤差校正算法,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這些模型和算法的正確性。分析了結(jié)構(gòu)光條紋定位誤差對(duì)結(jié)果的影響,指出了影響結(jié)構(gòu)光條紋準(zhǔn)確定位的原因。在這些分析的基礎(chǔ)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(duì)于三維信息獲取系統(tǒng)的重要意義。對(duì)系統(tǒng)中多源信息進(jìn)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(jī)信息融合方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這些方法能有效地克服傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光方法的一些
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2002
【分類號(hào)】：TP334.22;TP391.41
【圖文】：

(a) 同心圓柱定標(biāo)模塊 (b) 同心圓柱定標(biāo)模塊圖像 (c) 平面定標(biāo)模塊圖案 (d) 平面定標(biāo)模塊圖像圖 3-4 定標(biāo)模塊設(shè)計(jì)及拍攝的定標(biāo)圖像調(diào)整定標(biāo)模塊的位置令其中軸鉛直，結(jié)構(gòu)光平面通過中軸投射于標(biāo)準(zhǔn)件上，形成光條紋，取每個(gè)圓柱上下緣的光條紋上的點(diǎn)為定標(biāo)標(biāo)志點(diǎn)和驗(yàn)算點(diǎn)，其尺寸很容易從標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸得到。圖 3-4(b)是拍攝的定標(biāo)圖像。也可以在標(biāo)準(zhǔn)件表面加上便于識(shí)別的標(biāo)記作為標(biāo)志點(diǎn)。由于平面約束的 DLT 模型只需要對(duì)平面定標(biāo)，也可以采用如圖 3-4(c)所示的定標(biāo)模塊，在平板上標(biāo)志出這些圖案，定標(biāo)時(shí)令結(jié)構(gòu)光平面與平板面重合即可，系統(tǒng)采集的定標(biāo)圖像如圖 3-4(d)。這種模塊標(biāo)志點(diǎn)定位精度比較高，但調(diào)整比較困難。考慮對(duì)系統(tǒng)其它參數(shù)的標(biāo)定（如偏心參數(shù)和左右相機(jī)參數(shù)），我們采用圓柱形定標(biāo)模塊。一次實(shí)驗(yàn)得到的定標(biāo)參數(shù)矩陣為： =0.00060.00051.00000.3953-2.9132428.6437-1.16200.1613334.8780A

(c) 右相機(jī)拍攝無遮擋的光條紋 (d) 根據(jù)左相機(jī)圖像計(jì)算右相機(jī)圖像的結(jié)果圖 3-16 雙相機(jī)定標(biāo)和映射實(shí)驗(yàn) 3-16(a)為右相機(jī)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(jī)拍攝的圖像,在這一側(cè)由于沒有遮擋，光條紋完整雙相機(jī)映射參數(shù)，從左相機(jī)圖像計(jì)算右相機(jī)圖像，結(jié)果為圖 3-16(d)，結(jié)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(jī)拍攝到的圖像。對(duì)比圖 3-16(c)和圖 3-16(d)可以看的結(jié)果和實(shí)際拍攝的圖像非常吻合，證明有關(guān)的分析和算法是正確多方位掃描與多關(guān)節(jié)測(cè)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(cè)量、多方向掃描用這一技術(shù)后，會(huì)引入一些新的問題，主要有：多視點(diǎn)坐標(biāo)變換、多自由度高精統(tǒng)定位、多視點(diǎn)采樣深度數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和拼合等。

圖 3-18 多關(guān)節(jié)機(jī)械測(cè)量臂實(shí)物為實(shí)現(xiàn)多方位掃描測(cè)量，必需有合適元的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)。這樣伺服裝置要求運(yùn)動(dòng)選用高精度車床、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等作為用靈活而有特殊的優(yōu)點(diǎn)。多關(guān)節(jié)機(jī)械測(cè)量臂由多個(gè)桿件和可轉(zhuǎn)實(shí)時(shí)測(cè)量，根據(jù)桿件長(zhǎng)度等系統(tǒng)參數(shù)和機(jī) 器 人 學(xué) 中 ， 對(duì) 這 類 機(jī) 械 臂 的 定 Denevit-Hartenberg 桿件坐標(biāo)系理論進(jìn)圖 3-18 是一種多關(guān)節(jié)機(jī)械測(cè)量臂的理模型。設(shè)桿件i與桿件 i 1通過關(guān)節(jié)i相i 坐標(biāo)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(hào)：2755756