基于极成像的三维重构方法研究

摘要

利用二维图像重建物体三维结构是计算机视觉领域的一个重要分支，在多个领域得到了越来越广泛的应用，传统的三维重构技术多是利用两幅或多幅二维图像，来恢复物体的三维结构。本文基于极成像系统，对单幅图像的三维重构方法展开研究，重点对极成像系统的基本理论、三维重构方法、实验平台搭建等关键技术进行了深入研究。 作为三维重构的理论基础依据，本文详细地分析了极成像系统的成像原理。基于极成像系统的径向切面图，着重讨论了极成像系统的性能特点，对摄像机虚拟视点的轨迹进行了研究；针对不同参数配置的极成像系统，推导出了系统中二目区和三目区的位置；对摄像机成像的分辨率特别是切向分辨进行了分析讨论。借助仿真软件对三维极成像系统进行仿真，并得到仿真的极图像。 在三维重构阶段，本文对重构方法中的重点步骤进行了详细的介绍和分析，并基于仿真极图像给出了每一步的处理结果。在利用极图像对物体进行三维重构时，首先，使用双线性插值方法对极图像进行水平堆叠处理；其次，对不同视点对应的图像进行立体匹配，对比SIFT特征匹配和区域匹配两种匹配算法，后者更有利于得到稠密的匹配点对，特别是对于纹理不够丰富的拍摄目标，选择基于区域匹配方法的效果更佳；另外，依据极成像系统的成像原理，推导空间点的深度计算公式，从而利用匹配点对的位置计算空间点的深度信息，结合该点在水平堆叠图中的行坐标，即可得到空间点的三维坐标，对所有的匹配点对计算三维坐标得到三维点云；最后，采用泊松重建方法对三维点云进行表面重建，得到目标的三维模型。 最后搭建了实验平台采集极图像，并对实拍极图像进行三维重构，从而验证基于极成像系统的三维重构的可行性。在实验平台搭建过程中，针对一些关键问题进行分析讨论，比如摄像机光轴与内反射镜中轴的对准方法、极成像系统对摄像机的性能要求等。同时对实拍极图像的切向分辨率进行分析，验证了关于切向分辨率的理论研究。为了评估系统的重构准确度，对已知几何形状的目标采集极图像并对其进行三维重构，并将三维重构得到的点云进行曲面拟合，对比拟合曲面与目标真实表面得到重构误差，实验表明，误差在可接受范围内。最后扩展极成像系统应用于重构目标侧面完整的几何形状。

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缩略语对照表

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状及问题分析

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文结构安排

第二章极成像系统的基本理论

2.1 摄像机成像原理

2.2 极成像系统

2.2.1极成像系统的基本组成

2.2.2极成像系统的基本原理

2.3 极成像系统的特性

2.3.1极成像系统的参数配置

2.3.2虚拟视点轨迹

2.3.3不同视点的视场

2.3.4摄像机成像分辨率

2.4 对极成像系统的仿真

2.5 本章小结

第三章三维重构方法研究

3.1 三维重构基本原理

3.1.1基于双目视觉的三维重构

3.1.2基于极成像系统的三维重构

3.2 极图像预处理

3.2.1水平堆叠处理

3.2.2极图像与水平堆叠图映射关系

3.2.3双线性插值

3.3 立体匹配

3.3.1立体匹配算法分类

3.3.2基于SIFT特征的立体匹配

3.3.3基于图像区域块的立体匹配

3.4 深度信息计算

3.5 生成三维网格表面

3.5.1核心思想

3.5.2基本思路

3.5.3实现细节

3.6 本章小结

第四章实验平台搭建及结果分析

4.1 实验平台搭建

4.1.1实验器材参数

4.1.2搭建极成像系统

4.2 极图像分析

4.2.1极成像系统的视场对比

4.2.2极图像清晰度对比

4.2.3极图像的分辨率

4.3 重构结果分析

4.4 扩展极成像系统

4.4.1两种扩展极成像系统的成像原理

4.4.2基于扩展极成像系统的三维重构

4.5 本章小结

第五章总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

作者简介

1.基本情况

2.教育背景

3.攻读硕士学位期间的研究成果

3.1发表学术论文

3.2申请专利