基于结构光的植物三维点云获取技术研究

摘要

为了获取植物点云用来构建数字化的植物三维模型，本文对植物三维点云获取技术进行了研究。提出了基于结构光的植物三维点云获取方法，该方法基于双目立体视觉的成像原理，向植物投射线结构光降低双目系统中两幅图像的中对应点匹配的难度，并通过特殊波长的滤光片削弱室外光照对条形激光的影响，使三维扫描设备可以在室外使用。本文的主要研究内容如下： （1）搭建了一套可以在室外光照条件下获取植物三维点云的设备，该设备包括一对普通网络摄像机，线结构光发射器，步进电机和自制标定板，易于使用，成本低，结构简单。 （2）根据改装后的网络摄像机，选择摄像机的标定算法，并制作标定板对摄像机的参数进行标定。摄像机的标定包括焦距标定和位置关系标定两个方面，分析了已有的摄像机的标定方法结合本研究的实际情况，选用相机位移标定算法这种标定板结构简单的方法，并自制的标定板进行了摄像机的焦距标定，使用三点法进行位置关系标定。通过摄像机的标定算法获取到的摄像机焦距和两摄像机的位置关系，计算标定板上标定点的三维坐标，计算出的标定点间距离与实际标定点间的距离的差别在0.3mm以内。 （3）对三维点的计算方法进行了研究，分为图像的预处理、线结构光的光条中心提取、图像的立体匹配以及计算三维点的坐标四部分。选用自适应阈值的方法提取线结构光的光条中心，对两幅摄像机图像中的光条上的点进行立体匹配，最后使用左右摄像机光心及其图像上的匹配点所在的直线相交于物体表面的实际点计算三维坐标。 为了说明本研究的原理的有效性以及搭建的三维扫描系统的扫描效果，分别对室内物体和室外树木进行扫描，将获取的点云数据和实物对比。实验表明本研究提出的三维扫描系统可在室内和室外，快速的获取常见物体以及植物表面的三维点云，点云扫描误差在 0.46mm 的范围内，平均每秒可以获取超过 2500 个点，能满足植物三维点云获取的精度需求。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

1.4 论文组织结构

第二章 三维扫描系统结构

2.1 需求分析

2.2 双目视觉的基本原理

2.3 系统结构

2.4 双目摄像机选择

2.5 选择激光器

2.6 选择滤光片

2.7 本章小结

第三章 摄像机标定

3.1 标定板的设计与制作

3.2 摄像机标定

3.3 摄像机标定结果分析

3.4 本章小结

第四章 三维点云计算方法研究

4.1 双目立体匹配的约束条件

4.2 对极几何和基础矩阵

4.3 立体匹配的方法

4.4 三维点计算

4.5 本章小结

第五章 实验及结果分析

5.1 实验设计

5.2 三维扫描效果分析

5.3 三维点计算结果分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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