基于双目立体视觉的未标定图像三维重建分析

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1、第1章绪论1．1引言计算机视觉是指用计算机实现人的视觉功能，即对客观世界的三维场景的感知、识别和理解【11。人们用摄像机获取环境中物体的图像并将其转换为数字信号，用计算机实现信息处理，试图建立以计算机为中心的视觉系统，在某种程度上和某种环境下替代人类的部分视觉工作。近年来，三维可视化技术、虚拟现实和实时真实感图形学的发展，使计算机重建各种复杂逼真的三维场景成为可能。计算机三维模型已深入到人们生活的方方面面，对三维实体模型的需求越来越多。如何从二维影像建立三维模型已经成为计算机视觉的一个研究重点。当前，利用计算机构造物体三维模

2、型的方法主要有三种：利用三维扫描仪等硬件获取三维模型的方法，基于几何造型的方法和基于图像建模的方法。利用三维扫描仪等硬件可以获得精确的三维模型，而且适用于复杂形状的物体，可以快速、方便地获取物体的三维模型，被广泛应用于虚拟现实、仿真等领域。但是，三维扫描仪价格昂贵，且该方法容易受到应用环境和被测物体性质的限制，影响了它在日常生活中的应用。基于几何造型的方法指利用点、线、面、体等几何元素，以及它们之间的相互作用，产生实际的或想象的物体模型【2】。基于几何造型的方法使用已有的建模软件(如Maya、AutoCAD、3DMax、Cr

3、eator等)进行人工建模，每个模型的细节化程度与设计和构建过程所花费的时间成正比。每个精致的实体模型的构建都是一个极其耗费时间的过程。该方法建造的场景具有良好的交互性，且视点自由，但是，在进行大规模场景构造时，其人机交互工作量大，过程复杂，需要操作人员具有很好的专业知识，建模效率低p】。基于图像序列的三维建模技术是计算机视觉和计算机图形学技术相结合而产生的一种新技术，它用物体的图像恢复物体的三维模型，是相机拍摄照片的逆过程。基于非定标图像序列的重建方法不需要事先测定相机参数，利用一个普通相机自由移动拍摄的一组图像序列，经过

4、计算就可以求得相机的内外参数并重建出景物的三维坐标。其优点是建模简单、更新速度快、方便、实时、费用低。适用于一些对重建结果的细节要求不高的场合。包括视觉导航、医学、考古学、建筑学、地质学、虚拟现实、工业测量、多媒体教学、数字娱乐、物体识别、影视广告、现场勘测以及军事等领域等。随着需求的增多和计算机软硬件技术的进一步发展，人们必须对三维重建技术进行更前沿的研究，使图像理解系统具有更多更高的性能，把基于未标定图像的三维重建技术推向更加实北京T业大学T学硕一l：学位论文用化和更广泛的领域。1．2课题的背景与来源伴随着I)CS在工业

5、过程控制系统的广泛应用，监控组态软件作为DCS软件系统的重要组成部分得到了飞速发展，已经成为现代计算机控制系统的核心。当前人机监控界面正在朝着三维化、虚拟化以及智能化方向发展，传统的组态软件所提供的二维图形监控界面人机交互性差、工艺流程画面表现力弱、沉浸感不强，已经不能满足人们要求，人们希望能够通过更加自然、直观的界面来降低监控过程中的疲劳度，提高监控效率。在此需求之下，课题组拟开发一种基于虚拟现实技术的三维组态软件。对于组态软件三维监控界面而言，最大的特点也是难点就是提供用户能够以简单、方便、人性化的方式自主构建三维虚拟化

6、场景的功能。而解决这个问题的有效方法是在组态界面上提供工厂常用设备的三维模型库。这样用户就可以根据实际场景通过简单的模型导入、组合、布局以及属性配置操作，构造三维虚拟场景。对于用于监控的虚拟场景，重要的是要表现各个设备的结构和轮廓信息，该方法的用户是工厂的监控人员、管理人员或者是设计人员，这就需要三维重建过程的操作简单、易学易懂。传统建模软件专业性太强，建模过程复杂，建模周期长，非专业的建模人员使用起来比较困难。而实际的工控场景又非常复杂，三维模型库也不可能提供各种工厂中的所有设备模型，这么多的三维模型，单靠非艺术专业、非C

7、AD专业软件使用者进行绘制是不可能的。本课题的研究目的主要是解决虚拟工控场景的快速建模问题，将立体视觉技术应用到工业控制领域，开发出一套操作简单、使用方便的三维重建系统，1．3三维重建的关键技术与研究现状立体视觉主要研究如何借助多图像成像技术从多幅图像罩获取场景中物体的深度信息，其开创性工作早在20世纪60年代中期就已开始【4】。立体视觉的基本方法是从两个或多个视点去观察同一场景，获得在不同视角下的一组图像，然后通过三角测量原理获得不同图像中对应像素问的视差(即同一个3．D点投影到两幅2．D图像上时，其两个对应点在图像位置的

8、差)，从中获得深度信息，并进而计算场景中目标的形状以及它们之间的空间位置等。因此，一个完整的基于立体视觉的三维重建系统可以分为图像采集、特征提取、立体匹配、摄像机标定和三维场景表示五个模块。1．3．1图像获取计算机视觉的基础是各种成像设备，例如CCD(ChargeCoupledDevice