基于单目视觉及主动激光标记的空间曲面重构方法研究

作     者：尹楠 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱兴龙

授予年度：2012年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 

主      题：单目视觉 激光环 最小二乘法 空间位姿 平面拟合 曲面重构 

摘      要：计算机视觉是一门研究如何使得机器实现“看功能的科学,它不仅能模拟人眼的功能,更重要的是完成人眼所不能胜任的工作。作为一门新兴的学科,它既是工程领域同时也是科学领域中一个富有挑战性重要研究领域,近些年来受到越来越多关注和研究。计算机视觉的研究范畴涉及光学、数学、物理学、计算机科学、生物学、信号处理学、神经生理学和认知科学等,是一门综合性的前沿学科,具有广阔的应用前景。本文以单目视觉结合激光环获取空间物体位姿为目的,进行一系列的探讨和研究。 通过分析国内外单目视觉的研究现状,阐述了本课题研究的方向并构建模型分析需要解决的问题,即边缘提取方法、曲线拟合方法、圆锥激光环锥顶位置的求解以及如何根据图像信息求解空间位姿方法等。由于很难获得圆柱激光环,因此提出采用圆锥激光环结合单目视觉进行分析。 圆锥激光环照射在空间任意平面上形成椭圆光斑,提出采用最小二乘椭圆拟合方法得到CCD面上光斑的椭圆方程;而激光环照射在任意空间曲面上不再是椭圆光斑,首先将CCD面上的光斑边缘曲线分为上下两部分,再采用最小二乘多项式法分别拟合上下部分光斑,从而得到光斑的多项式。 锥顶的确定主要分为三步,首先标定两个与CCD面平行的圆形平面,且圆形平面的中心连线与摄像机光轴平行,调整激光位置使得光源同时穿过圆形平面中心,读取圆形平面中心的坐标值从而确定圆锥激光环锥顶的两个坐标方向的值;然后再将激光环分别照射在两个圆形平面上,采用椭圆拟合得到CCD面上的成像光斑的中心;最后结合空间直线方程确定锥顶的另外一个坐标方向上的值。 确定空间位姿首先需要标定一个与CCD面平行的空间平面,利用摄像机成像和空间直线方程得到该平面上光斑边缘数据。然后在光斑边缘上选取一点M,结合摄像机焦点和圆锥激光环的锥顶三个点构造平面,该平面与CCD面上物体的成像光斑相交,得到特征点,并连接摄相机焦点构建一条直线,再连接锥顶点和M点,构建另一条直线,解出这两条空间直线的交点,就是空间物体上的点。依次在光斑边缘上取点并分析然后再移动激光环位置分析,即得到空间物体上各点位置。如果物体是空间任意平面,根据空间物体上各点位置采用最小二乘平面拟合方法得到该平面的位姿,如果是曲面,则采用曲面重构方法得到曲面的形状。 构建实验平台,根据标定的摄像机内外部参数得到焦点以及图像坐标系相对于世界坐标系的位置,并根据实验结果分析误差产生的原因。