基于从明暗恢复形状的雕塑曲面图象深度信息提取与应用

摘要

雕塑曲面零件的加工是数控加工技术的重点，但由于其形状复杂多变，从而导致雕塑曲面的几何建模非常困难。随着计算机技术的发展，利用计算机自动获取目标的三维信息已成为可能，从明暗恢复形状技术就是计算机视觉领域中三维信息获取技术的一种。 该文对从明暗恢复形状技术进行了研究，并将从明暗恢复形状技术应用于雕塑曲面图象的深度信息提取，从而实现了雕塑曲面的三维几何形状的重建。该文的实验方法及研究结果如下： 该文首先对从明暗恢复形状问题进行了深入的学习和研究，在其基本数学模型的基础上，推导出一种求解此问题的算法：首先将从明暗恢复形状问题转为求解泛函极值的问题，建立了合理的求解函数模型，然后采用变分法得到泛函的欧拉方程，最后结合有限差分方法得出算法的迭代计算公式。在求解过程中，该文提出了一种迭代依据，它保证了求解结果的唯一性和最佳性，使得求解过程始终是稳定的。 该文用编程语言对算法作了程序实现，并对图象文件中灰度信息的读取以及图象中光源方向的估计进行了研究和编程实现。该文利用该程序对人工合成的雕塑曲面图象和现实雕塑曲面图象进行深度信息的提取，并通过图象对比和误差计算两种形式对深度提取结果进行了分析，由此证明了该文算法的正确性。 为了直观地表示深度信息的提取效果、实现算法参数的快速调整，该文采用了基于平面区域的三角剖分思想，对提取出的深度信息进行了曲面重建，并以OpenGL技术实现了曲面的三维图形显示，图形显示结果表明本文的算法相对于传统方法有较大的改进。 最后，该文对如何利用深度信息来生成雕塑曲面的数控加工程序以及数控加工过程的几何仿真作了初步的研究，提出了一种从图象深度信息提取到曲面数控加工的一体化系统设计，并通过对雕塑曲面的实际数控加工说明了该文求解算法在数控领域中的实际应用。 该文利用从明暗恢复形状技术对雕塑曲面图象进行深度信息提取，从而实现了雕塑曲面的三维形状的重建。随着课题的进一步研究和完善，其研究成果必定能够减少雕塑曲面几何建模的成本，为中小型企业带来更多的经济效益。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1本课题的研究背景及意义

1.2国内外对SFS技术的研究

1.3本文主要研究内容

第二章变分法概述

2.1变分法的基本原理

2.1.1泛函分析的基本概念

2.1.2变分法的相关结论

2.1.3泛函极值问题的补充

2.2本章小结

第三章基于变分法求解SFS问题

3.1 SFS问题的基本原理和数学模型

3.2求解函数模型的确定

3.2.1各种约束条件的比较

3.2.2求解函数的最终确定

3.3求解算法的推导

3.3.1表面朝向求解算法的推导

3.3.2表面高度求解算法的推导

3.4求解算法的执行

3.4.1表面朝向求解算法的执行

3.4.2表面高度求解算法的执行

3.5本章小结

第四章算法的编程实现及图象深度信息提取

4.1灰度信息的读取

4.1.1位图文件的格式

4.1.2灰度图及其转换

4.1.3从灰度图中读取灰度值

4.2光源方向估计

4.2.1光源方位角的估计

4.2.2光源极角的估计

4.3算法的程序实现

4.3.1编程语言及开发工具的选择

4.3.2程序实现

4.4图象深度信息提取结果及分析

4.4.1人工合成灰度图的深度信息提取

4.4.2现实灰度图的深度信息提取

4.5本章小结

第五章深度信息的曲面重建及其三维图形显示

5.1深度信息的曲面重建

5.1.1离散数据的曲面重建方法对比

5.1.2本文深度信息的曲面重建

5.2基于OpenGL的曲面三维图形显示

5.2.1OpenGL概述

5.2.2曲面图形的绘制与显示

5.3图形显示结果及分析

5.4本章小结

第六章求解算法在数控领域中的应用

6.1应用Pro/Engineer进行曲面构建

6.2曲面数控加工程序的生成

6.3数控加工过程的图形仿真

6.4实际加工结果

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的与学位论文内容相关的学术论文

致谢