| 题名 | 基于双目立体视觉的三维测量技术研究 |
| 作者 | 尹传历 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2008-05-22 |
| 授予单位 | 中国科学院长春光学精密机械与物理所 |
| 授予地点 | 长春光学精密机械与物理所 |
| 导师 | 宋建中 |
| 关键词 | 双目立体视觉 三维测量 摄像机标定 立体匹配 图像分割 图切割 |
| 其他题名 | Research on The Technology of Three-dimensional Measurement Based on Binocular Stereo Vision |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 中文摘要 | 双目立体视觉是计算机视觉的一个重要分支。它模拟人类视觉处理景物的方式，利用两台位置相对固定的摄像机同时对同一景物从不同角度成像，通过计算其中对应点的视差来获取空间场景的三维信息。 基于双目立体视觉的三维测量是一种被动式非接触测量方法，它除了可以获得目标的宽、高信息外，还可以获得目标的距离信息，已被广泛应用于三维重建、自主车（移动机器人）导航、工业检测、基于图像的建模和绘制等领域。 基于双目立体视觉的三维测量技术在国外已经得到了比较深入的研究和广泛的应用，在国内也受到了越来越多的重视。随着计算机硬件和图像传感器性价比的不断提高以及双目立体视觉相关技术的不断发展，基于双目立体视觉的三维测量将会得到越来越广泛的应用。 本论文以双目立体视觉理论为基础，研究基于双目立体视觉的三维测量技术，重点在于双目立体视觉的几个关键技术，包括：双目立体视觉系统的建模、摄像机标定、立体图像对校正、立体匹配算法等。本论文还对短基线双目立体视觉系统的应用及其测量精度进行了研究，并针对自主车（移动机器人）路障自动检测应用，搭建了三维测量平台，给出了初步的实验结果。 论文的主要工作包括以下几个部分： 1）实现了一种新的摄像机内参数自标定方法。该方法首先采用尺度不变特征变换对摄像机在不同位置采集到的同一场景两幅图像进行特征点检测，提取出特征点描述算子，采用欧式距离作为描述向量匹配相似度量准则，进行特征点匹配；然后根据匹配点对采用随机采样一致算法估计基本矩阵；假定主点坐标为图像中心，像素纵横比为1，无径向畸变，通过简化的Kruppa方程求解出有效焦距初值；根据内参数矩阵和基本矩阵求取本质矩阵，从本质矩阵分解得到旋转矩阵和平移向量；最后采用牛顿迭代法，非线性优化摄像机参数。通过模拟实验和真实图像实验均证明了该方法的可行性。该方法只需要摄像机在两个不同位置下对同一场景采集两幅图像就可以完成摄像机内参数自标定，操作过程简单，对硬件设备几乎没有特殊要求，易于实现，能在应用现场在线对摄像机进行标定，可以很好的适合三维测量环境的要求。 2）实现了一种双目摄像机相对外参数自标定方法。该方法首先对左右摄像机图像进行Harris角点检测；然后对左右图像中检测的角点进行归一化相关匹配；再采用基于卷积的亚像元算法进一步估计了亚像元精度；最后，由计算的基本矩阵和本质矩阵分解出旋转矩阵和平移向量。该方法针对实际应用中左右摄像机几乎平行的特点，采用角点匹配的方法获得了较为密集的匹配点对，并采用亚像元算法提高了匹配精度，能够更精确的估计基本矩阵，获得更高精度的双目摄像机相对外参数。 3）实现了一种立体图像对的外极线校正算法。该算法基于投影矩阵可以线性求解出变换矩阵。通过真实图像对算法进行了验证，实验结果表明，提出的立体图像对校正算法能有效地消除垂直视差，可以满足立体匹配的需要。 4）为了得到浓密、高精度的视差图，实现了一种新的稠密立体匹配算法。该算法简化了基于图像分割的立体匹配算法框架，去掉了平面模板参数计算和视差层提取两个步骤。首先采用均值平移算法将参考图像（左图像）根据彩色信息快速聚类成不同区域；然后通过灰度差平方和匹配计算初始视差图；在构造视差函数时，将分割结果作为视差函数的一个参考项，使优化的单元从分割区域变为图像中的像素，能够进一步估计视差图的边界；最后，在全局匹配过程中采用图切割算法优化评价函数，获得了更高的精度。采用标准图像对测试了提出的方法，并与其他方法进行了比较。实验结果表明：改进的基于图像分割的立体匹配算法能够有效的处理大的低纹理区域像素，更好的估计视差图的边界，得到更为精确的稠密视差图，提高了匹配精度。 针对基于图切割的立体匹配算法计算量大的缺点，本文提出了一种新的快速立体匹配算法。首先根据图像边缘特征自适应变化窗口，并采用灰度差平方和匹配作为相似判定准则计算初始视差图，再通过左右一致性校验去除误匹配点，在构造能量函数时，将初始视差作为视差函数的一个参考项，减小了构造网络的规模，在保证精度高的同时明显地减少了计算量，最后在全局匹配过程中采用图切割算法优化评价函数。实验结果表明：改进的快速立体匹配算法在得到较为精确的稠密视差图的同时，显著缩短了匹配时间，能够满足工程实用性的要求。 5）基于针孔成像的模型, 在理论上从摄像机标定和立体匹配两个方面分析了双目立体视觉系统三维测量过程中的主要误差来源，建立了双目立体视觉系统测量距离的误差与摄像机参数、基线长度、测量距离等因素之间的关系式。并根据自主车（移动机器人）路障检测所需测量精度的要求,初步确定了双目测量系统参数，进行了相应的硬件和软件设计，搭建了基于双目立体视觉系统的三维测量实验平台。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-03-21 |
| 页码 | 121 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/715]  |
| 专题 | 长春光学精密机械与物理研究所_中科院长春光机所知识产出 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 尹传历. 基于双目立体视觉的三维测量技术研究[D]. 长春光学精密机械与物理所. 中国科学院长春光学精密机械与物理所. 2008. |
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