显微立体视觉系统的标定与三维重建技术研究

摘要

随着科学技术的发展,以形状尺寸微小、操作尺度极小为特征的微机械已成为人们从微观角度认识和改造客观世界的一种高新技术,微机械技术还有望成为研究纳米技术的重要手段.为此本文提出了双目显微立体视觉技术的研究,借助于机器视觉来提高微操作的效率和精度.利用现代光电转换、计算机硬件、数据和图像处理软件,实现光学显微图像光电数字化,将难以观测的显微镜视场光学图像,变成在计算机屏幕上的大面积、高亮度、真彩色图像,不但可供多人同时轻松观测分析,而且还可对屏幕上的图像作种种处理(例如缩放、切割、转移、颠倒…)或应用多媒体技术实现图像、文字、图形、声音多媒体综合效果.本文的主要工作和创新点包括:对显微立体视觉系统的光路进行了研究,将单CCD显微系统改装成双CCD显微立体视觉系统,并对此系统的数学模型进行了研究,提出了显微立体视觉的光路模型.对系统进行标定计算,指出标定参数等效焦距f,两摄像机光心的距离d,这些参数为系统内部参数,可以通过相对不同的世界坐标进行标定,即相对标定.这种情况下不需要标定摄像机在世界坐标系的位置,相对的对于世界坐标系的旋转矩阵和平移矩阵也不需要.这样变动标定块在世界坐标的位置,在进行几次标定计算,每次虽然相对于不同的世界坐标系,但对于不变的同一个系统,内部参数U、V、f,摄像机之间的距离d,都不会变化,这样通过多次标定后,将结果进行加权求平均,可得到精确的结果.对图像进行预处理,产生了一幅计算机易于识别和理解的图像,实现图像的三维重构.同时将VC与MATLAB进行连接满足了图像处理的实时性,使计算量减低,计算速度提高.对图像的预处理进行了研究,如图像的狄度化、平滑化、阈值选择、边缘检测、腐蚀、膨胀、轮廓提取、轮廓跟踪、图像分割等,目的是产生一幅计算机易于识别和理解的图像,同时为立体匹配奠定了基础.本文在应用部分采用了自动阈值选择技术,使阈值的选择更合理;对灰度化算法进行了改进,目的是较容易的提取兴趣点和目标.总之,本文对摄像机标定和三维重建都进行了深入研究,并取得了一定的成果.

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

§1-1引言

§1-2立体视觉的研究现状及应用领域

§1-3显微立体视觉系统的标定光学模型和标定算法

1-3-1摄像机、显微镜以及显微立体视觉系统的模型的建立

1-3-2摄像机标定算法

§1-4三维重建

1-4-1三维重建引言

1-4-2立体视觉研究发展趋势

§1-5选题意义及本文的主要研究内容

第二章显微立体视觉系统中标定算法的研究

§2-1引言

§2-2显微立体系统的光学建模

2-2-1摄像机基本光学原理

2-2-2显微镜的成像原理和基本光学原理

2-2-3显微立体视觉的光路

§2-3双目立体视觉系统数学模型

§2-4利用透视变换矩阵的摄像机标定计算

2-4-1最小二乘算法

2-4-2显微立体视觉系统的标定和约束条件的选取

§2-5标定实验

2-5-1实验环境的建立

2-5-2实验结果

§2-6本章小结

第三章图像处理和三维重建

§3-1引言

§3-2三维模型显示及其构造方法

3-2-10penGL环境简介

3-2-2 Matlab环境简介

§3-3基于散乱数据的曲面插值

3-3-1三角剖分的优化准则

3-3-2Delaunay三角化

§3-4三维重建

3-4-1空间点的三维重建

3-4-2空间直线和曲线的三维重建

§3-5实验结果

§3-6本章小结

第四章显微视觉自动聚焦系统

§4-1引言

4-1-1显微视觉自动聚焦系统的基本原理及方法

4-1-2显微自动聚焦系统的结构方案及研究进度

§4-2显微镜自动聚焦算法分析

§4-3显微镜自动聚焦算法实验数据

§4-4本章小结

第五章图像预处理

§5-1引言

§5-2图像配准算法

§5-3图像分割

5-3-1团点着色法

5-3-2灰度化

5-3-3自动阈值选择技术

5-3-4填充

5-3-5腐蚀算法的设计

5-3-6压缩图像

5-3-7着色

5-3-8数数

§5-4本章小结

附图

第六章结论

参考文献

致谢

攻读学位期间所取得的相关科研成果