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基于结构光实时三维重建计算机应用技术专业毕业论文
基于结构光实时三维重建-计算机应用技术专业毕业论文
华东师范大学硕士学位论文基于结构光的实时三维重建
童鱼查硕士学位论文答辩委员会成员名单
姓姓名名职称称单位位备注注张张桂戌戌教授(博导)))华东师范大学计算机科科主席席
学学学学技术系系系
孙孙强强副教授授华东师范大学计算机科科科
学学学学技术系系系
杨杨宗源源教授(博导)))华东师范大学计算机科科科
学学学学技术系
华东师范大学硕士学位论文基于结构光的实时三维重建
摘要
三维重建是当前计算机视觉领域最热门的研究方向之一,但传统的三维重建方法效率较低,实时性差,不能满足虚拟现实等新兴领域的市场需求。
本文提出了一种基于彩色结构光的实时三维重建方法RRCS(Real一time3DReconstructionbasedoneolor-codedstructuredlight),利用投影在物体表面的彩色结构光的颜色信息,快速、准确地还原相位,计算物体的高度,最终重建物体的三维模型。
实验结果表明,RRCS对设备的要求低,效果好,具备基本的实时性能。
相位展开是三维重建中的关键步骤,传统相位展开的基本处理单位是点,在RRCS中的效果不理想。
彩色结构光的基本处理单位是边缘,本文提出的基于拓扑排序的彩色结构光空域相位展开算法TSPU压一SPU利用边缘之间存在的拓扑关系来恢复相位,提高了效率。
E一SPU还考虑了相位展开错误的情况,改进了算法的容错性。
相位展开后,通过位置关系将图像中的二维点坐标转化为三维点坐标。
这些点是离散的点,需要进行三角网络化。
三角网络化过程中,针对彩色结构光“点线”数据的特点,提出了基于点线的快速三角网络化算法,充分利用了边缘之间的关联信息,快速地将点线数据转化为三角形网络。
实验表明,算法具有较高的转化效率,能真实重现物体的形态。
针对摄像头输入帧速、图像处理速度与三维显示速度之间不匹配的问题,对帧采用了流水线处理模式,有效祸合了不同模块之间处理速度的差异,提高了处理效率并且改善了用户体验。
关键词:
彩色结构光,实时三维重建,相位展开,点云,摄像机标定
华东师范大学硕士学位论文基于结构光的实时三维重建
Abstract
3Dreconstruction15oneofthemostPoPularareasofresearehineomPutervision.Howevef,thetraditionalmethodof3Dreeonstruetionhaslowereffieieney,Poorreal一timeabilityandeannot
meettheemergingfieldofvirtualrealitydemandsofthemarket.
ThePaPerProPosedanovelreal一time3Dreeonstructionsystembasedoneolor-eoded
strueturedlight(RRCS).Itrecoversshiflingftomtheeolor-codedstrueturelightonthesurfaeeofobjectquieklyandcorrectly,andthenealculatestheheightoftheobjeetinordertoreeonstruetthe3Dmodel.Experimentsindieatethattherequirementofhardware15lowandhavebasereal一time
ability.
PhaseunwraPPing15thekeystePin3Dreconstruetion.ThePaPeralsoProposedanovel
sPacedomainPhaseunwraPPingalgorithm,which15ealledasTSPU旧一TSPUthatbasedonthe
ProPertiesofeolor一eodedstrueturedlightandthetoPologiealrelationofeolor-striPe.Thebasie
handleunitoftraditionalPhaseunwraPPing15Pointwhileeolor-codedstructuredlight15edge.ThePaperanalyzedthisProblemandotherfailurescenesinordertoenhancefaulttolerance·
AfterPhaseunwrapping,ZDPointsofimageshouldbeeonvertedinto3DPointsofV吸)rldCoordinateSystem.Anewmethodoftriangulationbasedon‘linePoints’15ProsPosedtosolvethetriangUlationoncolorededges.
ThePaPeralsoconsidereddifferentframesPeedondifferentmoduleanddesignanasynchronousimageProeessmodeltoPromoteuserexPerienee.
Keywords:
3Dreeonstruetion,PhaseunwraPPing,Pointcloud,realtimereeonstruet,ealibration
IV
华东师范大学硕l:
学位论文基于结构光的实时三维重建
摘要二”””“”“……”.“.““.”””“..…“””二”””””.”““”….”:
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ABSTRACT.……”................……””……“...............……””“”.““...........……,…”.…“.....……”.”二”“……“.IV
第1章.绪言.“二”””.“.…”..”.””.”““”…”二”””:
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第2章.三维重建的发展现状.”“”“””””一”~“一”“”””””””““””“”“一”一””””””””“““一“.一.一3
2.1.立体视觉法.......................................................................................................................……4
2.2.单激光线扫描法...............................................................................................................……5
2.3.正弦光栅相位测量法.......................................................................................................……6
2.4.其他止维重建方法...........................................................................................................……9
2.5.三角网络化.......................................................................................................................……9
2.6.实时三维重建特点及要求.............................................................................................……n第3章.彩色结构光三维重建一””””“”””””””“”“..““一一“”””””””“”““~一”一”””””””””~.U
3.1.彩色结构光三维测量原理..................................................................……,....................……12
3.2.彩色编码方案.................................................................................................................……13
第4章.彩色结构光空域相位展开算法.“.““”..…“”……””””””””“:
.“......……””””””””””“.”.164.1.TSPU算法...................……,............................................................................................……16
4.2.相位展开算法中的欠采样.............................................................................................……18
4.3.E一TSPU算法中的改进....................................................一.............................................……19第5章.点云三角网络化.””“””一”””””””””””一””~”””““””””””一”””””””””””””””“””””….215.1.基于点的三角网络化方法........................................................................................……‘.…21
5.2.基于点线的快速三角网络化算法.................................................................................……23
第6章.系统标定.“二”.““.““.”“二“.”””.”“..….…““二““……”.“..……““.“二“”“.“..…““.…“”““..””.2‘
6.1.摄像机标定.....................................................................................................................……26第7章.RRCS的实现二”””””””:
.““”“..…”.“““…”.“..…“”……”……””二”二”..””””.…”....……“.327.1.系统构架.........................................................................................................................……32
7.2.应用程序设计.................................................................................................................……33
7.3.帧的流水处理模式.........................................................................................................……34
7.4.数据处理过程.................................................................................................................……35
7.5.实验结果..........................................................................................................……,........……45
7.6.实验分析.........................................................................................................................……46第8章.总结与展望..…”.“.”“”…“.…”“”””.”二“““““””.”….”..”…“.”“”二”.”””..“””””…”.““.”.49
参考文献.…”.””.…“…”……”..”.”.”””.”二””二”””“..”.””“.””.”“””.””...….”””“.””二””“””.”.”“”.””.52
致谢.”””“”””...……“.”“”.“””..….“””““““.”“”…”“”….””.......……””.“”..…”二““….“”””””.55
华东师范大学硕士学位论文基于结构光的实时三维重建
第1章.绪言
计算机性能的提高为三维重建的实现提供了可能,目前三维重建已经成为一个十分活跃的研究领域。
现代工业设计己经从平面设计阶段全面过渡到三维设计阶段,并对物体三维轮廓地准确测量提出了迫切的要求;在网络上,对通过Intemet进行三维信息的传输、重建与浏览的需求也在与日俱增;在电子商务领域中,对利用三维浏览技术对产品进行全方位展示的需求也在不断增加。
目前,三维重建技术的较多的应用于医学领域和工程领域,主要是基于CT图象和三视图的重建,并总结出一些行之有效的三维重建方法。
重建技术有接触式和非接触式两大类,测量原理包括光、机、电、磁、声等,非接触式光学三维测量的研究尤为受到重视[l][2】。
目前,非接触式l’l光学三维重建方法主要有:
立体视觉法ls1、单激光线扫描法101、正弦光栅相位测量法lv]和傅里叶变换法[v]等。
根据表现方式,三维重建又可分为静态三维重建和实时(动态)三维重建。
静态三态重建是指将物体某一时刻的三维信息(形状,纹理等)重建出来,而实时三维重建是指将物体连续、动态的三维信息重建出来。
静态三维重建已经成功的应用于表面缺陷检测、逆向工程、人脸识别、生物学的人体建模、计算机视觉中,实时三维重建的动态特性使其具有更加广泛的应用前景。
在虚拟现实领域,利用光学式三维测量法对实物快速、准确的进行重建,满足影像特技、电脑游戏、虚拟现实、互联网虚拟观摩等需要。
在三维动画制作领域,避免了使用三维制作软件手动生成三维模型的过程,加快动画制作。
另外,实时三维重建在动画人物的脸部造型方面也有着得天独厚的优势。
在动作跟踪领域中,利用重建得到的三维坐标,实现空间位置跟踪,例如跟踪玩家头部活动、手的运动与变化等,设计出新颖的操作方式。
实时三维重建需要满足以下特定的要求:
(l)算法效率高,处理数据少,满足实时性要求;
(2)能从一幅图像数据中恢复目标的三维信息;
(3)算法对噪声有良好的适应能力,因为动态图像的信噪比比静态图像低得多;
(4)无交互性。
正弦光栅相位测量法和傅里叶变换法都需要人[参与修正相位展开的结果,而实时三维重建没有人工修正的时机。
相对于静态三维重建,对实时三维重建的研究相对较少,已有的二维重建方法大多因效
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率较低,实时性差,需要多幅图像才能恢复物体的三维信息,并不适合实时三维重建。
本文研究了彩色结构光110】的特性,并将其应用在实时三维重建中,设计了一个
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