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由非定标图像序列重建和测量三维物体

作　者: 陈泽志
导　师: 吴成柯
学　校: 西安电子科技大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 对极几何三维重建自定标图像校正测量
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2002年
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引　用: 16次
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内容摘要

本论文研究了如何由非定标图像序列重建三维实体模型，并对由非定标图像序列测量三维物体中的若干关键技术进行了深入研究。传统的方法都是针对已定标的图像序列进行的，因而很难推广应用，实用性较差。本文的重点是在理论和实践两方面研究了，在既不知道相机内部参数，又不知道相机外部参数的情况下，如何由图像序列进行三维欧氏重建并最终获得三维欧氏测量信息的问题。本文所给的算法增强了三维实体模型的真实感，提高了重建三维模型的速度，测量精度高。主要成果如下： 1．给出了双三次B—样条平滑滤波算子，并且利用该算子进行了大量的边缘检测实验。实验结果表明，所给的方法对边缘检测非常有效，具有良好的鲁棒性。为图像的稠密匹配奠定了坚实的基础。 2．给出了两种高精度估计基础矩阵的线性算法： 1)．加权归一化算法。首先以8点算法的结果作为初始值，计算每对匹配点的余差和权因子，并将原始输入数据加权归一化处理，然后再用8点算法求F阵的8个参数，实现了F阵的估计。 2)．加权平移算法。首先将原始输入数据加权，计算加权后数据的重心坐标，并将坐标原点平移到该重心坐标，再作归一化处理，然后用8点算法求出F阵的8个参。大量的模拟数据和真实图像的实验结果表明，这两种算法不仅计算速度快，具有良好的鲁棒性，而且还提高了基础矩阵的估计精度，其鲁棒性和精度都明显优于广泛使用的改进的8点算法。 3．提出了新的基础矩阵估计非线性算法。首先用无约束规划求出双对极点位置，其目标函数是一个4元6次多项式，然后用SVD方法求出其余4个参数，实现了F阵的稳定估计，有效地避免了传统的用非线性最小二乘法求解所存在的不足。实验结果表明，所提出的方法彻底克服了原双对极点约束方法运算速度慢、存在大量伪解和对极点的不稳定现象，用较少的匹配点即可获得较高精度的F矩阵，实用性较强，且具有明显的几何意义。 4．提出了一种新的基于线性模型的摄像机自定标方法。利用三点透视投影图、灭点和向量正交的性质，得到一组与内参有关的非线性方程组，并将其转换为线性方程组，避免了求解过程中的累积误差，最后高精度地求出了全部内参α_x，α_y，u₀，v₀。并以此做初值，综合景物的先验知识，如正交直线（平面）、平行直线（平面）等求解绝对二次曲面，减少了求解绝对二次曲面的二义性，使绝对二次曲面的仿射特性和欧氏特性更精确，从而使重建的三维景物更为精确。 5．提出了新的图像矫正算法，使稠密匹配沿水平线进行，不但能简化匹配过程，而且还能提高匹配精度。此方法避免了相机定标而直接采用Bresenham算法沿对应对极由非定标图像序列重建和测量三维物体线提取象素，将重构图像时象素丢失的可能性降到了最低限度，执行速度快，重构图像小，且能适应相机的各种位置关系，大大提高了图像稠密匹配的精度，为景物的高精度三维重建奠定了基础。6.提出了一种新的基于手提相机的由二维图像序列进行三维欧氏重建的非接触式测量方法。与传统的测量方法相比，所给的方法具有对于摄像机不需要任何关于内参和外参的先验知识、使用的设备简便通用、测量精度高以及技术易于推广应用等特点。

全文目录

第一章绪论  12-23
  1.1 引言  12-14
  1.2 研究内容及主要贡献  14-16
  1.3 本文的结构安排  16-18
  第一章参考文献  18-23
第二章图像的特征提取  23-31
  2.1 引言  23-24
  2.2 双三次B-样条平滑滤波算子  24-28
  2.3 实验结果  28-29
  2.4 本章小结  29-30
  第二章参考文献  30-31
第三章基础矩阵估计的线性算法  31-43
  3.1 引言  31-32
  3.2 八点算法概述  32
  3.3 二维图像的坐标变换对F阵的影响  32-33
  3.4 加权归一化线性算法  33-38
    3.4.1 引入权因子  33-34
    3.4.2 输入数据的加权归一化处理  34-35
    3.4.3 算法步骤  35-36
    3.4.4 实验结果  36-38
  3.5 加权平移线性算法  38-41
    3.5.1 输入数据的加权平移处理  38-39
    3.5.2 实验结果  39-41
  3.6 本章小结  41-42
  第三章参考文献  42-43
第四章基础矩阵估计的非线性算法  43-53
  4.1 引言  43-44
  4.2 新双对极点约束的引入  44-46
  4.3 用新约束求解对极点  46-47
  4.4 实验结果  47-50
    4.4.1 真实图像的实验结果  47-48
    4.4.2 模拟图像的实验结果  48-49
    4.4.3 图像结果  49-50
  4.5 本章小结  50-51
  第四章参考文献  51-53
第五章相机自定标技术  53-65
  5.1 引言  53-54
  5.2 相机模型  54-55
  5.3 相机自定标技术  55-62
    5.3.1 利用平行、垂直约束修正绝对二次曲面  57-58
    5.3.2 初值估计  58-62
    5.3.3 自定标技术  62
  5.4 本章小结  62-63
  第五章参考文献  63-65
第六章图像校正  65-78
  6.1 引言  65-66
  6.2 图像校正  66-71
    6.2.1 确定公共区域  66-68
    6.2.2 Bresenham算法概述  68-69
    6.2.3 对极线变换  69-71
    6.2.4 重构校正图像  71
  6.3 算法概述  71-72
  6.4 试验结果  72-76
  6.5 本章小结  76-77
  第六章参考文献  77-78
第七章三维重建及其在测量中的应用  78-99
  7.1 引言  78-79
  7.2 射影重建  79-81
    7.2.1 基于多视角几何关系的方法  79-80
    7.2.2 分解算法  80-81
  7.3 三维Euclidean重建和测量  81-82
  7.4 实验结果  82-97
    7.4.1 模拟实验  82-83
    7.4.2 真实序列图像1  83-91
    7.4.3 真实序列图像2  91-93
    7.4.4 真实序列图像3  93-95
    7.4.5 利用VRML实现重建景物的虚拟现实  95-97
  7.5 本章小结  97-98
  第七章参考文献  98-99
结束语  99-101
  论文总结  99
  工作展望  99-101
附录  101-116
  A 射影几何基础  101-110
    A1 二维射影平面  101-103
    A2 射影变换  103-106
    A3 射影平面上直线间的夹角  106-107
    A4 三维射影空间变换  107-110
  B 多视角张量  110-115
    B1 对焦距张量  111-113
    B2 三焦距张量  113-114
    B3 四焦距张量  114-115
  附录参考文献  115-116
攻读博士期间发表的主要论文  116-118
攻读博士期间参加的主要科研项目和获奖情况  118-119
致谢  119

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