基于结构光的多视场三维图像采集系统设计

摘要

视觉是人类获取信息最重要的方式。随着电子信息技术的发展，图像采集和显示技术逐渐成为人类视觉信息获取过程中的重要载体，图像采集和显示技术极大的拓展了人类的视野，使得人们可以看到很多无法直接用肉眼观察的场景，如遥远的星系，微观世界或者穿透表面看到身体的内部。
　　现实的物理世界是三维的，现有的图像采集及显示技术无法表现出三维立体感，三维采集与三维显示可以弥补上述的缺陷，通过先进的技术方式还原出原始的真实场景，使得通过采集和显示技术传递的信息更加真实直观。三维采集和三维显示技术是当前热门的研究领域，三维成像和信息的处理形成一个有机的整体。三维显示技术需要三维采集获取的三维图像作为内容，而三维采集获取的三维图像需要使用三维显示技术才能够准确重现。而三维内窥镜则涵盖了三维技术的多个方面，是未来医疗仪器的发展趋势，研究具有重要意义。
　　论文主要围绕多视场三维内窥镜技术展开研究，首先对结构光原理行了介绍和分析，对相机标定方法进行了研究，在对光场的原理、光场的采集和显示原理进行学习的基础上，研究了多视场的三维重建技术，展示了重建结果，设计了一种全新的多视场三维内窥镜，实现了三维采集和三维显示，并且推出了一种新型的内窥镜磁导引控制方式。
　　论文实现的多视场三维内窥镜系统，包括适应内窥镜的微型结构光设计方案，多相机的内外参数标定，多视场的图像采集和处理，基于SIFT的图像匹配算法，多视稠密点云重构算法和表面重构算法，显示采集的光场图像或重建结果的体三维显示和多视光场显示的硬件和软件设计，以及整套的内窥镜磁导引控制系统的设计与制作。
　　论文所设计的整套系统在动物实验中取得了较为满意的结果，从多视场的图像获取到较好的三维重建的效果，控制系统的可操控性达到预期的目标，部分条件已经满足临床医疗的要求，为今后三维内窥镜的临床实验和VR手术奠定了一定的基础，推动了三维内窥镜的发展和医疗器械技术的进步。

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第一章 绪论

1.1 内窥镜的现状

1.2 当前内窥镜的技术和限制

1.3传统内窥镜的测量方式

1.4 本文的结构

第二章 结构光三维成像系统定标及基本原理

2.1 相机及投影仪光学模型

2.2投影仪系统标定算法

2.3 结构光三维成像基本原理

2.4 结构光三维成像技术分类

2.5 适合内窥镜的结构光设计方案

2.6 本章小结

第三章 光场原理与相机标定

3.1 光场的概念及其采集与重构

3.2 相机模型与标定

3.3 本章小结

第四章 三维重建

4.1 系统整体框架

4.2内窥镜重建预处理

4.3特征抽取及匹配

4.4三维稀疏点云重构

4.5 多视匹配及点云网格化

4.6 多视三维表面重构结果

4.7 本章小结

第五章 三维显示技术

5.1 体三维显示技术

5.2 多视光场显示技术

5.3 本章小结

第六章 内窥镜的磁导引系统设计

6.1系统设计

6.2 有限元分析

6.3控制系统分析

6.4实验和分析

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文及其他科研成果