基于结构光的3d成像技术【字数：12313】
摘 要3D成像技术一直是计算机图形学和计算机视觉的一个热点课题，并且还属于飞速发展的阶段，而基于结构光的3D成像技术在近年来已经得到了很大的发展。文中通过对研究现状和实际情况的分析比较选用直射式激光三角法进行研究，理论方面，详尽描述了激光三角测量原理、相机标定过程、系统部件选型问题、激光线提取原理等。实验方面，论文使用张正友标定法在HALCON环境下对相机进行标定，在平移实验台下扫描被测物体后对其进行三维重建，同时，针对几种常见的外部因素对3D成像结果的影响进行实验分析并通过实验现象给出结论。
目 录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 3D成像技术简介 1
1.3 国内外研究现状 4
1.4 本文主要工作和结构 4
2. 结构光3D成像系统 5
2.1 引言 5
2.2激光三角法概述 5
2.2.1 直射式激光三角法 5
2.2.2 斜射式激光三角法 6
2.2.3 两种方式的比较分析 7
2.3 系统硬件模块介绍 8
2.3.1 平移实验平台 8
2.3.2 激光器 9
2.3.3 CCD相机 9
2.4 本章小结 10
3. 系统标定原理及其同步控制 11
3.1 引言 11
3.2 坐标系的转换 11
3.2.1 图像坐标系与像素坐标系 11
3.2.2 相机坐标系至图像坐标系 12
3.2.3 世界坐标系至相机坐标系 12
3.2.4 相机的内参和外参 13
3.3 畸变及其校正 13
3.3.1 镜头畸变校正 13
3.3.2 透视畸变校正 14
3.4激光线提取原理 14
3.5 同步控制 15
3.6 本章小结 16
4. 系统搭建以及实验 17
4.1 引言 17
4.2 HALCON简介 17
4.3 硬件平台搭建 18
4.4 标定实验 19
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4.5 3D重建实验 20
4.6 本章小结 22
5. 系统外部影响因素分析 23
5.1 引言 23
5.2 用于比较的参考实验 23
5.3 被测物体表面粗糙程度 23
5.4 物体运动速度 25
5.5 激光束的直径 25
5.6 本章小结 27
6. 总结与展望 28
6.1 总结 28
6.2 展望 28
参考文献 30
致谢 31
绪论
1.1 引言
人类主要是通过视觉，听觉，触觉等感官来接收外部信息，其中，超过70%的复杂信息是依靠视觉[1]来获取的，而机器视觉是一门工程性很强的学科，是涉及人工智能、神经生物学、计算机科学、模式识别等诸多领域的前沿技术，与传统意义中所描述的图像处理系统相比，机器视觉更加强调的是在应用中测量精度和工作效率,以及在实际工业应用中的稳定性和可靠性[2]。在实际日常的生产生活中，人们通过利用计算机模拟人的视觉功能从自然界中获取信息，随后进行处理和加工，不论是在工业还是在医学、民用、军事等领域均有十分广泛的应用。
随着计算机图形学的飞速发展，结构光3D成像技术[3]已经成为了机器视觉的重要研究方向，在实际应用方面，近年来3D打印技术的迅速普及，传统工业制造进入了一个新时代，工业、影视、军事和医疗等行业均对三维重建和3D成像技术提出了迫切的需求[4]。结构光系统以其非接触、高效率、高精度等优点成为重要的三维成像技术，广泛应用于汽车制造、航空航天、文物保护、医学等领域[6]。
1.2 3D成像技术简介
3D是英文"3 Dimensions"的缩写，代表的是物体长、宽、高三个维度的信息，从空间概念上来说，表示的是以X、Y、Z三个坐标轴组成的空间。在实际生活中，人们所阐述的3D技术一般指的是基于互联网的数字三维技术，而本文所述的3D成像技术则是现代3D技术的重要分支。普通的2D成像是用二维CCD传感器或CMOS传感器捕获被拍摄对象反射或者发出的可见光，从而形成二维图像，但由于现实中的世界是三维的，必不可免，2D成像所获得的信息会缺失关键的特征信息，然而3D成像技术可以实现对深度信息的测量，很好地弥补了2D成像的弊端，该技术在获取平面信息的同时还可以捕捉三维信息，为后期的图像分析提供了关键的特征[7]。
3D成像技术一直是计算机图形学和计算机视觉的一个热点课题，并且还属于飞速发展的阶段，最早的3D成像是采用人工绘图的方式描绘物体的3D图，显而易见，这种方法需要耗费大量的时间和精力，随着社会的发展，出现许多建模软件可以进行三维建模，但其所需的人力物力也是让人望而却步，从结果上来看也是差强人意。全息投影技术是较为传统的3D成像技术，它利用干涉和衍射原理来重现物体的三维图像，如图11，具有十分真实的视觉效果，也因此广泛应用于各种媒体技术当中，而本文所介绍的3D成像技术则是基于视觉的三维重建技术，具有速度快，实时性好等优势，在具体工程中有很大的意义，如医学影像、航天航空、文物保护等，如图12所示，对文物表面的3D成像可以满足在博物馆现场对文物的快速安全数字化的需求， 而在工业中的应用中，研究重点则更倾向于如何获取目标物体或场景的深度信息，在这一方面，3D成像技术涉及到计算机图形学，计算机辅助设计等多个热门领域，利用数字相机作为图像传感器，对采集的若干幅图像进行计算和提取所需的特征信息，再通过相关算法还原出特定三维物体或是场景的深度信息，根据这些深度信息重建出具有立体感的三维结构图，因此，人们根据对目标的深度信息的测量方法分成了被动式三维重建技术和主动式三维重建技术，前者在测量时所需的照明由目标物体周围的背景光提供，后者则使用一个独立的光源对目标物体进行照明，二者各有其不同的优劣之处。目前，主流的被动式三维重建技术有结构光法以及TOF（Time of Flight）飞行时间法，主动式三维重建技术中应用范围较广的则是双目立体视觉方法。
目 录
1. 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 3D成像技术简介 1
1.3 国内外研究现状 4
1.4 本文主要工作和结构 4
2. 结构光3D成像系统 5
2.1 引言 5
2.2激光三角法概述 5
2.2.1 直射式激光三角法 5
2.2.2 斜射式激光三角法 6
2.2.3 两种方式的比较分析 7
2.3 系统硬件模块介绍 8
2.3.1 平移实验平台 8
2.3.2 激光器 9
2.3.3 CCD相机 9
2.4 本章小结 10
3. 系统标定原理及其同步控制 11
3.1 引言 11
3.2 坐标系的转换 11
3.2.1 图像坐标系与像素坐标系 11
3.2.2 相机坐标系至图像坐标系 12
3.2.3 世界坐标系至相机坐标系 12
3.2.4 相机的内参和外参 13
3.3 畸变及其校正 13
3.3.1 镜头畸变校正 13
3.3.2 透视畸变校正 14
3.4激光线提取原理 14
3.5 同步控制 15
3.6 本章小结 16
4. 系统搭建以及实验 17
4.1 引言 17
4.2 HALCON简介 17
4.3 硬件平台搭建 18
4.4 标定实验 19
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4.5 3D重建实验 20
4.6 本章小结 22
5. 系统外部影响因素分析 23
5.1 引言 23
5.2 用于比较的参考实验 23
5.3 被测物体表面粗糙程度 23
5.4 物体运动速度 25
5.5 激光束的直径 25
5.6 本章小结 27
6. 总结与展望 28
6.1 总结 28
6.2 展望 28
参考文献 30
致谢 31
绪论
1.1 引言
人类主要是通过视觉，听觉，触觉等感官来接收外部信息，其中，超过70%的复杂信息是依靠视觉[1]来获取的，而机器视觉是一门工程性很强的学科，是涉及人工智能、神经生物学、计算机科学、模式识别等诸多领域的前沿技术，与传统意义中所描述的图像处理系统相比，机器视觉更加强调的是在应用中测量精度和工作效率,以及在实际工业应用中的稳定性和可靠性[2]。在实际日常的生产生活中，人们通过利用计算机模拟人的视觉功能从自然界中获取信息，随后进行处理和加工，不论是在工业还是在医学、民用、军事等领域均有十分广泛的应用。
随着计算机图形学的飞速发展，结构光3D成像技术[3]已经成为了机器视觉的重要研究方向，在实际应用方面，近年来3D打印技术的迅速普及，传统工业制造进入了一个新时代，工业、影视、军事和医疗等行业均对三维重建和3D成像技术提出了迫切的需求[4]。结构光系统以其非接触、高效率、高精度等优点成为重要的三维成像技术，广泛应用于汽车制造、航空航天、文物保护、医学等领域[6]。
1.2 3D成像技术简介
3D是英文"3 Dimensions"的缩写，代表的是物体长、宽、高三个维度的信息，从空间概念上来说，表示的是以X、Y、Z三个坐标轴组成的空间。在实际生活中，人们所阐述的3D技术一般指的是基于互联网的数字三维技术，而本文所述的3D成像技术则是现代3D技术的重要分支。普通的2D成像是用二维CCD传感器或CMOS传感器捕获被拍摄对象反射或者发出的可见光，从而形成二维图像，但由于现实中的世界是三维的，必不可免，2D成像所获得的信息会缺失关键的特征信息，然而3D成像技术可以实现对深度信息的测量，很好地弥补了2D成像的弊端，该技术在获取平面信息的同时还可以捕捉三维信息，为后期的图像分析提供了关键的特征[7]。
3D成像技术一直是计算机图形学和计算机视觉的一个热点课题，并且还属于飞速发展的阶段，最早的3D成像是采用人工绘图的方式描绘物体的3D图，显而易见，这种方法需要耗费大量的时间和精力，随着社会的发展，出现许多建模软件可以进行三维建模，但其所需的人力物力也是让人望而却步，从结果上来看也是差强人意。全息投影技术是较为传统的3D成像技术，它利用干涉和衍射原理来重现物体的三维图像，如图11，具有十分真实的视觉效果，也因此广泛应用于各种媒体技术当中，而本文所介绍的3D成像技术则是基于视觉的三维重建技术，具有速度快，实时性好等优势，在具体工程中有很大的意义，如医学影像、航天航空、文物保护等，如图12所示，对文物表面的3D成像可以满足在博物馆现场对文物的快速安全数字化的需求， 而在工业中的应用中，研究重点则更倾向于如何获取目标物体或场景的深度信息，在这一方面，3D成像技术涉及到计算机图形学，计算机辅助设计等多个热门领域，利用数字相机作为图像传感器，对采集的若干幅图像进行计算和提取所需的特征信息，再通过相关算法还原出特定三维物体或是场景的深度信息，根据这些深度信息重建出具有立体感的三维结构图，因此，人们根据对目标的深度信息的测量方法分成了被动式三维重建技术和主动式三维重建技术，前者在测量时所需的照明由目标物体周围的背景光提供，后者则使用一个独立的光源对目标物体进行照明，二者各有其不同的优劣之处。目前，主流的被动式三维重建技术有结构光法以及TOF（Time of Flight）飞行时间法，主动式三维重建技术中应用范围较广的则是双目立体视觉方法。
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