基于編碼結(jié)構(gòu)光的三維重建關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)光三維重建技術(shù)屬于一種非接觸主動(dòng)測(cè)量技術(shù),具有低成本、高精度、大視場(chǎng)、實(shí)時(shí)性好和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),在工業(yè)自動(dòng)化測(cè)量、機(jī)器人導(dǎo)航、大規(guī)模復(fù)雜三維場(chǎng)景重建、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本論文針對(duì)內(nèi)窺鏡手術(shù)中目標(biāo)物三維監(jiān)控的需求,選擇使用結(jié)構(gòu)光主動(dòng)視覺(jué)三維重建技術(shù)進(jìn)行研究。
　　結(jié)構(gòu)光技術(shù)通過(guò)主動(dòng)投射具有一定顏色或形狀結(jié)構(gòu)的圖案來(lái)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行編碼,可實(shí)現(xiàn)魯棒和準(zhǔn)確的匹配,避免了立體視覺(jué)中角點(diǎn)匹配不準(zhǔn)引入噪聲的缺點(diǎn)。同時(shí),結(jié)構(gòu)光主

2、動(dòng)測(cè)量技術(shù)不需要接觸目標(biāo)物表面,避免了對(duì)目標(biāo)物的破壞。目前,結(jié)構(gòu)光技術(shù)受到關(guān)注的方面主要集中在如何提高測(cè)量或重建的精度與速度以及如何實(shí)現(xiàn)精確的全方位立體重建等。
　　結(jié)構(gòu)光三維重建過(guò)程中主要有三個(gè)方面會(huì)影響最終測(cè)量的精度。首先,圖像邊緣信息的檢測(cè)及定位不準(zhǔn)會(huì)帶來(lái)誤差;其次,結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)內(nèi)外參數(shù)的標(biāo)定精度也將影響重建精度;另外,對(duì)于具體的應(yīng)用場(chǎng)合,不同的編碼方案的選取會(huì)直接決定匹配的準(zhǔn)確程度,錯(cuò)誤的匹配往往會(huì)產(chǎn)生噪聲點(diǎn)。因此標(biāo)定和匹配

3、一直是結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)技術(shù)的兩個(gè)研究熱點(diǎn),而圖像細(xì)節(jié)信息的精確獲取是精確標(biāo)定和重建的基礎(chǔ)。因此,本文針對(duì)以上幾個(gè)方面展開(kāi)了深入的研究。
　　編碼結(jié)構(gòu)光技術(shù)中最常遇到的邊緣檢測(cè)問(wèn)題是對(duì)編碼條紋的檢測(cè)及定位,其結(jié)果會(huì)直接影響最終的重建精度。使用常用的一階和二階導(dǎo)數(shù)微分算子進(jìn)行邊緣檢測(cè),方向性較差。針對(duì)格雷碼條紋邊界檢測(cè),我們使用一種基于方向可調(diào)自適應(yīng)濾波器的邊緣檢測(cè)方法,該方法具有敏感的方向性,結(jié)合使用基于矩恒定原理確定閾值的方法,可以

4、檢測(cè)到更多的邊緣信息。
　　在照相機(jī)和投影儀光軸平行的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)中,結(jié)構(gòu)光條紋的邊界位置隨目標(biāo)深度變化僅可以沿極線方向發(fā)生移動(dòng),因此,我們針對(duì)格雷碼條紋邊緣位置的這一特性提出使用一種基于重心法的條紋邊界定位技術(shù)。在該技術(shù)中我們還使用了一種基于萬(wàn)有引力原理的邊緣檢測(cè)算子,同時(shí)在黑白條紋邊界處加入一個(gè)像素寬度的綠色,通過(guò)判斷候選邊緣點(diǎn)附近是否存在綠色像素來(lái)決定該邊緣點(diǎn)的取舍,有效減少了錯(cuò)檢,而通過(guò)使用自適應(yīng)閾值的邊緣檢測(cè),減少了漏檢,

5、最終實(shí)現(xiàn)了精確而魯棒的子像素級(jí)邊緣定位。
　　由于精確的系統(tǒng)參數(shù)將為三維重建和立體測(cè)量技術(shù)提供精度保障,因此結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)標(biāo)定一直是研究的熱點(diǎn)之一。其中投影儀的標(biāo)定,尤其是近幾年研究的熱點(diǎn)。本文在對(duì)各種標(biāo)定方法進(jìn)行分析比較之后,提出一種基于改進(jìn)的雙頻投影柵線法的標(biāo)定策略對(duì)投影儀進(jìn)行標(biāo)定。該方法假定投影儀是一臺(tái)倒置的照相機(jī),令其獲取一幅標(biāo)定靶標(biāo)圖像,從而使用現(xiàn)有標(biāo)定照相機(jī)的方法標(biāo)定投影儀。進(jìn)而對(duì)整個(gè)照相機(jī)投影儀結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)進(jìn)行了精確的標(biāo)定

6、。該方法避免了復(fù)雜的易引入噪聲的去包絡(luò)處理。由于使用了回歸分析,去除了噪聲點(diǎn)的影響,使得該方法具有較強(qiáng)的魯棒性。利用再投影靶標(biāo)圖像的方法來(lái)評(píng)價(jià)標(biāo)定精度,角點(diǎn)再投影誤差可達(dá)到小于1±個(gè)像素的精度。
　　對(duì)于一個(gè)已經(jīng)標(biāo)定完畢的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng),不同的編碼方案需要向場(chǎng)景中投射不同數(shù)量和不同結(jié)構(gòu)的圖案。各種編碼方案中匹配準(zhǔn)確程度不同,從而重建的精度不同,各有優(yōu)缺點(diǎn),我們對(duì)格雷碼進(jìn)行了改進(jìn),建立了一個(gè)平行軸結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。針對(duì)動(dòng)物內(nèi)臟器官多呈現(xiàn)紅色的