基于相位结构光的三维测量内窥镜系统研究

摘要

随着三维立体测量技术的迅速发展，对物体表面进行三维重建已经成为机器视觉各个应用领域当中的热门研究方向。三维立体测量内窥镜可以提供体内组织的深度图像，重建体内组织的形态特征，为医生的操作提供了指导，提高了手术成功率。本文围绕三维测量内窥镜展开，目标是实现对物体的三维测量。主要工作包括三维测量内窥镜系统的设计，对影响测量精度因素的仿真，设计物体的相位误差补偿算法，对实际物体进行三维测量等四个方面。 首先，针对实际内窥镜系统需要小型化和实时性这一特点，设计出了基于光纤有序排列的相位结构光。光纤束三进一出，每个光纤束入口被一个LED光源进行照明，通过控制LED光源的分时开启和关闭，产生需要的相位结构光。光源和光纤束通过透镜耦合，仿真并确定球状透镜参数，透镜与光源和光纤束的距离，从而提高光纤束的耦合效率，并使出射光照均匀。对成像镜头进行标定，根据标定的相机参数对图像进行去畸变操作，以减小后续相位计算的误差。设计CMOS驱动电路的编码方式，实现数字图像信号的长距离传输。根据系统对光纤模块，光源模块，镜头组模块的设计，搭建出实际的三维测量内窥镜实验系统，得到实际结构光图像，并对结构光图像的特征进行分析。 介绍物体相位和深度的计算方法，并由此推导出物体相位误差的数学模型。根据实际结构光图像相位差不是标准的120°，结构光条纹周期不相等，背景光照不均匀，存在大量噪声这些特征，生成一系列的结构光仿真图像，并对结构光仿真图像的相位误差进行计算，探究结构光条纹的相位差，周期，背景不均匀，噪声等因素对相位测量精度的影响。 针对结构光图像背景不均匀和存在噪声这一特征，对实际结构光图像进行高斯滤波去噪和去背景光操作。对预处理后的结构光图像，基于结构光的特征，设计出物体相位误差的补偿算法，包括对平面相位误差的标定，物体参考相位的计算，由参考相位确定对应平面，查找相位误差表进行误差补偿等步骤。然后根据相位误差补偿算法，依次对平面，斜面和曲面进行了相位误差补偿算法的验证。 最后，本文对实际物体进行了相位和深度的测量，通过对复杂石膏模型，齿轮状模型，凸起状模型的相位，深度计算，对比误差补偿前后的相位图和深度图，表明本文设计的相位误差补偿算法能有效的减小物体相位的计算误差，提高实验精度。

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致谢

摘要

第1章绪论

1．1研究背景和意义

1．2适合于内窥镜成像的三维测量技术发展现状

1．2．1被动式测量

1．2．2主动式测量

1．3研究内容和框架

第2章三维测量内窥镜的硬件系统设计

2．1系统总体设计方案

2．2结构光产生方式

2．2．1光纤束排列方式

2．2．2结构光条纹特征

2．3照明光源的设计

2．4投影镜头和成像镜头

2．4．1镜头组设计

2．4．2成像镜头标定

2．5实际结构光图像和分析

2．6小结

第3章系统相位误差分析

3．1物体相位计算方法

3．2相位误差数学模型

3．3相位误差仿真

3．3．1结构光相位差

3．3．2结构光周期

3．3．3背景光照不均匀

3．3．4高斯噪声

3．4小结

第4章系统相位误差补偿

4．1去噪和去背景光

4．2三维测量过程中的误差补偿方案

4．3相位误差标定结果

4．4相位补偿方法的验证

4．4．1对平面的补偿

4．4．2对斜面的补偿

4．4．3对圆台面补偿

4．5小结

第5章三维测量内窥镜系统实验和结果分析

5．1软件设计

5．2实物测量

5．2．1复杂石膏模型

5．2．2齿轮状模型

5．2．3凸起状模型

5．3小结

第6章总结和展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

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