單幅圖像三維測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定與解碼技術(shù)研究.pdf

1、近些年來(lái)，動(dòng)態(tài)三維測(cè)量，特別是基于結(jié)構(gòu)光的單幅圖像三維測(cè)量技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。盡管眾多研究者提出各種方法，構(gòu)建了不同的測(cè)量系統(tǒng)。但是，投影機(jī)標(biāo)定的高精度要求尚有待進(jìn)一步提高；定量評(píng)價(jià)體制的欠缺阻礙了技術(shù)的快速進(jìn)步；一般性單元技術(shù)缺乏深入研究。因此，本文以單幅圖像三維測(cè)量為研究課題，重點(diǎn)研究高精度系統(tǒng)標(biāo)定，對(duì)應(yīng)性評(píng)價(jià)機(jī)制。在定量化評(píng)價(jià)機(jī)制的基礎(chǔ)上，對(duì)碼字識(shí)別，碼字匹配等解碼關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，進(jìn)一步提高了算法性能。
　　系統(tǒng)標(biāo)定是三維測(cè)

2、量的前提。本文將系統(tǒng)標(biāo)定建模為參數(shù)估計(jì)問(wèn)題，從模型、數(shù)據(jù)獲取、估計(jì)方法三個(gè)方面對(duì)當(dāng)前結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)標(biāo)定方法進(jìn)行了綜述和分類。在此基礎(chǔ)上，分析了主流的投影機(jī)標(biāo)定方法的弊端――假設(shè)投影誤差為正態(tài)分布。本文通過(guò)理論分析、仿真實(shí)驗(yàn)證明，投影誤差在投影機(jī)圖像平面不滿足獨(dú)立同分布，也不符合正態(tài)分布。由于攝像機(jī)是結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的觀察設(shè)備，是觀察噪聲的源頭，本文提出攝像機(jī)圖像空間的投影機(jī)標(biāo)定方法。首先，通過(guò)標(biāo)定攝像機(jī)計(jì)算投影機(jī)標(biāo)定所需要的數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)觀察噪

3、聲的統(tǒng)計(jì)分布，在攝像機(jī)圖像平面使用光束平差法對(duì)投影機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。該方法與傳統(tǒng)方法最大的不同是目標(biāo)函數(shù)所在空間的差異，其本質(zhì)是對(duì)噪聲統(tǒng)計(jì)信息的不同理解。新方法避免了傳統(tǒng)方法導(dǎo)致的噪聲與投影機(jī)參數(shù)的耦合作用，更好的利用了噪聲統(tǒng)計(jì)信息，標(biāo)定精度更高。新的投影機(jī)標(biāo)定方法與攝像機(jī)標(biāo)定方法目標(biāo)函數(shù)在同一空間，使得系統(tǒng)標(biāo)定得以綜合為一個(gè)統(tǒng)一的目標(biāo)函數(shù)。這一變化使得觀察數(shù)據(jù)得以增加，使最大似然估計(jì)獲得更小的估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差。實(shí)驗(yàn)表明：新方法的標(biāo)準(zhǔn)差是傳統(tǒng)方法的

4、66.5％。
　　對(duì)應(yīng)性是單幅圖像三維測(cè)量問(wèn)題的核心。本文提出了在對(duì)應(yīng)性層次上的評(píng)價(jià)體系。它不同于以往在點(diǎn)云、曲面層次的評(píng)價(jià)，而是在對(duì)應(yīng)性層次進(jìn)行的。本文采用時(shí)空分析技術(shù)獲得對(duì)應(yīng)性的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而定義正確率和回調(diào)率兩個(gè)指標(biāo)反映對(duì)應(yīng)性結(jié)果的質(zhì)量。該評(píng)價(jià)體系特點(diǎn)是：1）定量分析對(duì)應(yīng)性。傳統(tǒng)方法只能分析精度信息，這一評(píng)價(jià)指標(biāo)不僅受到噪聲的影響缺乏重復(fù)性和穩(wěn)定性，而且操作任務(wù)量大。2）通用性，可適用于任何結(jié)構(gòu)光設(shè)備。對(duì)應(yīng)性的廣泛性使得該方

5、法可比較任何編碼結(jié)構(gòu)光方法。另外，它沒(méi)有傳統(tǒng)方法需要插值的麻煩，只需要改變編碼方法獲取基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即可。3）對(duì)結(jié)果反應(yīng)準(zhǔn)確、合理。正確性反應(yīng)了對(duì)應(yīng)性中正確結(jié)果的比例。當(dāng)正確率越高，說(shuō)明產(chǎn)生的點(diǎn)云中噪聲點(diǎn)越少，后續(xù)噪聲處理工作越少。回調(diào)率反映了正確的對(duì)應(yīng)和基準(zhǔn)對(duì)應(yīng)性數(shù)量的比例。當(dāng)回調(diào)率越高，說(shuō)明該方法獲得了更多數(shù)據(jù)信息，這也說(shuō)明了其采集效率越高。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于四種著名編碼方法分別實(shí)現(xiàn)，并且采用本文提出的評(píng)價(jià)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：多幅

6、圖像技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單幅圖像技術(shù)，其中多頻相移技術(shù)最為健壯和高效。單幅圖像技術(shù)目前效果較差，需要大力提高其性能。
　　從圖像中解碼出對(duì)應(yīng)性，需要三個(gè)步驟：碼字檢測(cè)、碼字識(shí)別、碼字匹配。本文將碼字識(shí)別建模為非監(jiān)督分類問(wèn)題，在評(píng)價(jià)體系的框架下重點(diǎn)研究了顏色碼識(shí)別。本文分析了各種顏色特征量，提出了一個(gè)新的顏色不變量――規(guī)范顏色量。它具有對(duì)光照方向、法線方向和亮度不敏感的特性。實(shí)際的比較試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)新顏色特征具有較高的類的可分性，使用多種聚類

7、方法識(shí)別正確率處于上游。該特征對(duì)于K-means方法來(lái)說(shuō)具有初值不敏感的特性，會(huì)避免收斂于局部值。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了顏色碼收斂中心的趨近特性?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了決策引導(dǎo)的聚類方法，解決K-means對(duì)初值敏感的問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)于一些常見(jiàn)的顏色不變量，該方法可收斂于最大值，避免了迭代終止在局部最小值。
　　對(duì)于碼字匹配問(wèn)題從匹配算法和碼字表達(dá)兩個(gè)側(cè)面分別展開(kāi)研究。對(duì)主要的碼字序列匹配算法進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的局部匹配方法在序列不連續(xù)

8、部分容易出錯(cuò)，提出了保持非連續(xù)性的匹配方法。該方法基于窗口投票機(jī)制，充分利用了窗口信息，不僅可判斷全票通過(guò)的核，而且可以判斷潛在邊緣。該方法比傳統(tǒng)方法識(shí)別正確率更高，減少了錯(cuò)誤匹配。針對(duì)帶狀條紋圖像的解碼問(wèn)題，傳統(tǒng)方法采用邊緣碼字進(jìn)行匹配。本文提出了采用顏色碼和混合碼的間接解碼技術(shù)。通過(guò)理論分析，發(fā)現(xiàn)間接解碼技術(shù)具有高漢明距離，多信息量，強(qiáng)化局部約束的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)定量的比較，證明了該方法具有更高的正確率和回調(diào)率。另外，實(shí)驗(yàn)比較中發(fā)現(xiàn)