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三维激光彩色扫描仪关键技术研究

作　者: 吴险峰
导　师: 李德华
学　校: 华中科技大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 三维激光彩色扫描交互式结构光系统多帧平均三维重建三维数据融合网格简化
分类号: TP334.22
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

随着计算机技术的发展,影视业、广告业、工业和国防科技等领域提出了一个越来越迫切的要求:快速获取物体的三维彩色模型。进入 90 年代以后,利用一些数字化设备,从原始模型直接得到物体的原始几何信息的方式成为一种主要的数据采集途径。三维激光彩色扫描系统是一种基于结构光技术的,快速获取物体表面三维彩色模型的系统。三维激光彩色扫描系统集光学、机械、电控、数据采集、图像处理、计算机图形学等诸多领域的知识为一体,是具有重大应用价值的高科技产品。基于结构光视觉方法的三维激光彩色扫描系统于 1996 年获得国家专利(ZL 95 227897.9),1998 年获得国家专利(ZL97240787.1)和(97109102.1),三维激光彩色扫描系统属国内首创、国际先进水平。但是要想达到完全实用化水平,还有一段距离。在国家自然科学基金(69775022)和国家“863”计划(863-306-ZT04-06-3)的资助下,对原系统的一些有关内容进行了理论上的研究和技术上的改进,使得系统更为完善和适用,并为其早日实用化打下基础。其主要研究内容包括扫描数据的三维获取,三维重建、网格生成、三维数据融合、网格简化等等方面。首先,在三维获取方面,系统总结了现有三维获取技术,并追踪现在世界先进三维扫描仪的最新成果,为研制提供了一些参考信息, 对进行激光扫描仪的开发有很好的借鉴作用。由于结构光是通过检测结构光在图像中的投影位置得到三维数据的。这些投影的形状和间断性,反映了物体表面的形状特征。然后利用三角测量原理,计算出被光源照射出的三维坐标。因此,当物体表面对光的反射太强或太弱时,都会对算法精度产生影响,甚至导致系统无法工作。针对传统结构光三维获取系统的弱点,提出了基于人工交互的结构光获取系统,通过人机交互的形式,对三维重建后的物体进行评价,对置信度较低的重建结果,返回原始的二维图像,利用人的知识对获取的结构光图像进行人工干预,然后再进行重建。并编程实现主要功能。实践结果表明,该方法能够扩展结构光视觉系统的应用范围,对于因反射原因而用传统结构光方法难以获取的物体,可以获得较好的结果。 I<WP=4>其次,对结构光系统的精度问题进行了深入分析,并改进了激光线提取算法。在原有的相减算法的基础上,提出了一种多帧平均提取激光线的新改进算法,通过对多帧求平均,然后再进行相减,可以显著提高点的精度,减小点的误差,还能降低噪声,方便激光线的提取。理论和实践表明,该算法能够显著提高精度,并且还克服了原有方法的许多弊端。第三,对于三维数据融合问题,提出并实现利用颜色信息来寻找匹配特征点的方法。研究了利用神经网格进行融合的思路。针对该方法的一些不足,全面分析了叠代最近点的方法,并且编程实现。最后对于拼合数据进行了融合并给出实验结果。第四,对于三维散乱数据,提出来基于散乱点展开再投影的三角剖分新算法。首先对三维点集沿着中心轴展开,然后将变换后的点集进行二维投影。投影后成为平面散乱点集,可以采用比较成熟的二维 Delunay 三角剖分。再对此平面点集进行反变换。并输出结果。利用展开法对于扫描仪产生的散乱数据三角化具有非常好的效果,但是对于任意散乱点是否也有这样立竿见影的效果,还需要进行深入研究。第五,为了在保持颜色信息的基础上对网格进行简化,传统的属性保持算法在计算几何误差的同时,也考虑了属性误差,就达到了简化过程里保持属性的目的。它们都属于原来几何简化算法的扩展。这里提出一种全新的属性保持简化算法思路。首先将颜色数据和几何数据整合成一组新的几何数据,然后对这个新的几何数据用一般的通用简化算法进行简化。最后将简化结果重新变换成原来的几何数据和颜色数据,从而得到外观保持良好的简化结果。实践结果表明,该算法效果极好,并且对于原有算法的一些不足进行了很好的弥补。最后,对于正在研制的三维激光彩色扫描仪工业型,给出了系统分析框架,并利用原型机进行实验,证明方法的可行性。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-11
1 绪论  11-20
  1.1 引言  11
  1.2 课题简介  11-12
  1.3 研究目的和意义  12-14
  1.4 主要研究内容  14-20
2 三维获取技术和激光扫描仪  20-32
  2.1 引言  20
  2.2 三维信息获取技术概述  20-23
  2.3 三维结构光扫描仪的基本结构和新产品  23-31
  2.4 小结  31-32
3 交互式结构光视觉系统  32-42
  3.1 引言  32
  3.2 传统结构光方法  32-33
  3.3 交互式结构光方法  33-35
  3.4 实验结果  35-38
  3.5 人工交互具体实现  38-40
  3.6 手动提取激光线使用技巧  40-41
  3.7 小结  41-42
4 结构光测量系统精度因素分析与多帧平均  42-68
  4.1 引言  42
  4.2 相关工作  42-43
  4.3 影响精度的关键因素:光带中心的确定  43-59
  4.4 多帧平均方法  59-62
  4.5 影响本精度的众多其他因素  62-67
  4.6 小结  67-68
5 深度图像的数据融合研究  68-101
  5.1 引言  68
  5.2 图像数据融合  68-76
  5.3 深度图像的配准  76-77
  5.4 基于本身几何特征的配准  77-79
  5.5 基于神经网络的人为标志配准法  79-83
  5.6 改进的 ICP 算法  83-94
  5.7 深度图像的融合  94-100
  5.8 小结  100-101
6 三维模型简化  101-117
  6.1 引言  101-102
  6.2 研究进展  102-112
  6.3 基于 SPLITTING 方法的 3D 网格压缩  112-116
  6.4 关于展开法进行散乱点构型的讨论  116
  6.5 小结  116-117
7 保持颜色的网格简化  117-129
  7.1 引言  117-118
  7.2 传统属性保持三角网格简化方法  118
  7.3 新的属性保持三角网格简化方法  118-121
  7.4 实验结果  121-126
  7.5 与其它颜色保持网格简化算法的比较  126-128
  7.6 小结  128-129
8 三维激光扫描仪工业型的系统分析研究  129-147
  8.1 引言  129
  8.2 总体设计  129-132
  8.3 软件的总体设计  132-133
  8.4 扫描控制与图像采集分系统  133-140
  8.5 三维重建分系统  140-144
  8.6 三维构型分系统  144-145
  8.7 公安专用比对软件  145-146
  8.8 小结  146-147
9 总结  147-149
  9.1 研究工作总结  147-148
  9.2 本文的创新之处  148-149
致谢  149-150
参考文献  150-163
附录Ⅰ 攻读博士学位期间发表论文目录  163-164
附录Ⅱ 主要三维扫描仪资料  164-168

三维激光彩色扫描仪关键技术研究

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