基于二维图像的三维重构技术的研究与开发

华中科技大学硕士学位论文基于二维图像的三维重构技术的研究与开发姓名：王俊昌申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：陈立亮20090526华中科技大学硕士学位论文I摘要三维重构是计算机视觉技术研究的主要内容之一，在工程技术和其它很多领域，一般要对物体进行三维分析，从而得到对研究有用的信息。本文研究的是基于二维图像的三维重构技术，是近年来计算机视觉技术与计算机图形学技术相结合而产生的一门新技术。基于二维图像的三维重构技术的研究具有重要的现实意义，而且具有广阔的应用范围，包括考古学、建筑学、以及材料加工、工业检测以及医疗成像设备等领域。目前，国内外对于大型铸件表面缺陷的监测尚无特别好的办法，几乎都是通过肉眼观察的方式来对缺陷进行判断；这种判断方式不仅费时、费力，而且很难对表面缺陷的所在的具体位置进行三维定位。针对这些问题，本文创造性地提出了一种表面缺陷检测方法：采用计算机视觉的最新技术来对缺陷进行自动检测。本方法的原理是：采用CMOS摄像机对大型铸件表面进行多视角成像，然后对成像得到的照片进行处理，得到需要的信息，最后将三维重构得到的几何实体与大型铸件自身的三维几何实体进行自动对比。这样就可以对大型铸件的表面缺陷准确地进行几何定位以及定量判断。本文在分析了摄像机成像模型及其工作原理的基础上，提出了空间点重构的方案，得到了世界坐标系与像素坐标系之间的转换关系式，为摄像机标定提供了准确的数学模型。特征点的提取是三维重构的前提和基础，在摄像机标定之前，本文采用加权平均值法对图像进行了灰度化处理，并利用Harris角点检测法和高斯滤波函数得到了图像中的角点。在对摄像机进行标定的时候，没有考虑二维图片中的非线性畸变，从图片中选取10个角点，运用OPenCV中对矩阵进行处理的函数，结合VC++编程技术，采取了线性标定的方法得到了摄像机的内部参数和外部参数的综合矩阵——摄像机的投影矩阵，并在文中给出了详细的理论推导过程。华中科技大学硕士学位论文II最后，本文在VC++平台上初步开发了一个基于两幅图像的空间点的重构系统，实现了图像读取、灰度化处理、角点提取、摄像机的标定和空间点重构的功能。同时用实验验证了该系统的准确性。关键词计算机视觉材料加工三维重构投影矩阵参数标定华中科技大学硕士学位论文IIIAbstract3DReconstructionisoneofthemainresearchcontentofthecomputervisiontechnology.Inengineeringandmanyotherareas,inordertogetusefulinformationforresearch,weusuallyanalyzethe3Dstructureoftheobjects.Inthispaper,3Dreconstructionisbasedon2Dimages,itisanewtechnologywhichcomesfromthecombinationofthetechnologyofcomputervisionandcomputergraphics.Theresearchon3Dreconstructionhasimportantpracticalsignificanceandhasabroadrangeofapplications,suchasarcheology、architecture、materialsprocessing、industrialinspection、medicalimagingequipmentindustry.Atpresent,thereisnoeffectivemethodtomonitorthesurfacedefectsofthelargecasting,researchersalwaysdeterminedefectsbynakedeyes;thismethodwastestimeandenergy,anditisveryhardtolocatethelocationofsurfacedefects.Tosolvetheseproblems,thepaperproposesacreativemethodtodefectthesurfacedetection:usingthelatesttechnologiesofcomputervisiontodetectdefectsautomatically.Theprincipleofthismethodis:useCMOScameratoobtainthemulti-angleimagesofthesurfaceoflargecasting;then,processimagestogettheusefulinformation;finally,thegeometricentitiesof3Dreconstructionandtheoriginalgeometricentitiescastingwillbecontrastedautomatically.Inthisway,wecangettheexactlocationofthesurfacedefectsoflarge-scalecasting.Basedontheanalysisofthecameraimagingmodelanditsworkingprinciple,thepapergivesaplanforspacepointreconstruction,thepaperalsostudiestheconversionrelationshipbetweentheworldcoordinatesystemandpixelcoordinatesystem.Extractionoffeaturepointsistheprerequisiteconditionsandbasisofthecameracalibration.Beforecalibration,thispaperusestheweightedaveragetoprocesstheimage,usestheHarriscornerdetectionmethodandtheGaussianfilterfunctiontogetthecornerfromtheimage.Thepaperdoesnotconsiderthenon-lineardistortionofthe2Dimageduringthe华中科技大学硕士学位论文IVcameracalibration.Itselects10pointsfromthecornerpoints,andobtainsthecameraprojectionmatrixbymeansofOpenCVandVC++programmingtechniques.Theoryanalysisandprocessdesignaremadedetailedinpaper.Finally,thepaperdevelopsasoftwaresystemontheVC++platform.Itincludesreadingimages,gray-scaleprocessing,cornerextraction,cameracalibrationandreconstructionofthespacepoint.Thevalidityandpracticabilityofstudieshasbeenapprovedbytheexperimentinthedissertation.Keywords:computervision,materialprocessing,3Dreconstruction,Projectionmatrix,cameracalibration.独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在______年解密后适用本授权数。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月华中科技大学硕士学位论文11绪论1.1选题的背景和意义客观世界在空间上是三维的。在工程技术和其它很多领域，一般要对物体进行三维分析，从而得到对研究有用的信息。基于数码图片的三维重构是计算机视觉领域中一个重要的研究部分，近年来，三维重构的理论和应用也得到了很大的发展。目前，绝大部分图像采集装置所获取的图像信息都是二维的平面信息，尽管其中可以含有三维物体的空间信息[1]。要想从数码图片去认识真实物体，就要从二维世界中的平面图像来恢复其在三维空间中的立体模型，这就需要研究二维空间中的图像中的像素点与客观世界中物体各点之间的对应关系，分析确定物体的大小和空间物体的相互位置关系，从而实现物体的三维重构。当前三维重构建模的方法主要有以下三种：(1)利用传统几何造型技术直接构造模型，就是利用建模软件构造三维模型[2]；(2)动态重构，利用三维扫描设备(如激光扫描仪、深度扫描仪等)对真实物体进行扫描，直接得到物体空间点的信息，进而重构出模型；(3)静态重构，基于数码图片的三维重构，利用光照图像恢复物体的几何外形，即利用摄像机、数码相机从各个视角拍摄的真实物体的2幅或者多幅图像进行重构模型[3]。在上述几类方法中，第一种方法历史最为悠久、发展也最为成熟，而且用途也最为广泛。该方法已被广泛应用于机械、建筑等工程领域和材料加工等产业。但是对于构造比较复杂的三维模型，如果仍然采取这种方法的话，将会是一件耗时费力的工作；动态重构，特别适合于逆向工程、文物保护等应用领域，因为它准确地获得物体表面点的三维坐标，而且重构的精度也非常高，但是由于扫描仪扫描对象的尺寸有限，不能应用于大型物体(如大型铸造件、火山喷发等)的重构，同时，这种重构方法对需要精密、复杂的仪器和辅助设备，价格昂贵，也无法处理具有高光、透明华中科技大学硕士学位论文2表面的物体，从而限制了该种方法的使用；静态重构，通过数码相机或摄像机成像模型，从二维图像中计算出物体的三维结构，这种方法成本比较低，但是重构的效果不是很精确，而且受外界因素的影响比较大。对基于二维图像三维重构技术的深入研究可以推动各个学科的发展，并促进这些学科的交叉融合。由于基于图像序列的三维重构技术建模简单、更新速度快，极大程度上满足了实时性的要求，因此，基于图像序列的三维重构技术研究具有重要的实际意义，也将具有广阔的应用范围，包括考古学、建筑学等领域和材料加工、医学设备等产业。在材料加工与检测方面，基于图像的三维重构技术已经较成熟地应用于工业钣金件的高精度三维重构与视觉检测系统中；另外随着计算机技术与材料科学的进一步融合，在材料学中，利用X射线进行三维重构，可以动态的显示材料微观结构的变化。目前，国内外对于大型铸件表面缺陷的监测尚无特别好的办法，几乎都是通过肉眼观察的方式来对缺陷进行判断；这种判断方式不仅费时、费力，而且很难对表面缺陷所在的具体位置进行三维定位。针对这些问题，本文创造性地提出了一种表面缺陷检测方法：采用计算机视觉的最新技术来对缺陷进行自动检测。本方法的原理是：采用CMOS摄像机对大型铸件表面进行多视角成像，然后对成像得到的照片进行处理，得到需要的信息，最后将三维重构得到的几何实体与大型铸件自身的三维几何实体进行自动对比。这样就可以对大型铸件的表面缺陷准确地进行几何定位以及定量判断。1.2计算机视觉