基于MATLAB的数字成像获取物体三维轮廓的毕业论文 - 图文

基于数字成像的物体表面轮廓的提取和分析

第二章 光学成像系统和图像采集系统的设计

在这一章，为了达到用数字图像处理的方法对水杯轮廓进行提取的目的，就必须设计合理的图像光学成像系统，很好地完成对图像数据的采集工作。本章主要介绍两个方面的内容，一个是光学成像系统的搭建，它包括摄像系统的配置和光学系统的设计；另一个方面叙述了图像采集系统的实现过程，以及图像采集工作的软件设计流程。本章的框图如下图所示：

物体位置检测输入输出I/O卡计 算 机光照系统图像采集卡摄像系统光学成像系统图像采集系统

图2.1 图像的光学成像系统和图像采集系统

2.1光学成像系统的搭建

在图像光学系统中包括摄像系统和光照系统。其中摄像系统包括摄像机系统的方案选择以及摄像机的参数选择。光照系统主要介绍了光照的设计问题。 2.1.1摄像系统的方案选择

在本论文中，使用的是CCD摄像机，结合论文的目的，本系统采用了双目测量的原理。由于有极线几何原理和光学三角形原理的理论支撑，基于双目立体成像原理的三维测量方法具有稳定可靠、精度高、速度快等优点, 目前已经广泛应用于逆向工程、物体识别、工业质量检测及机器人自导引等领域。双目测量基本任务之一是从相机获取的图像信息出发，计算被测对象在三维空间中的几何信息，并由此进行被测对象的识别操作，而空间被测对象表面某点的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，摄像机成像的几何模型是由两摄像机的相对位置和他们在世界坐标系中的三维位置和

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方向决定的。

在本系统的双目测量中，两相机的相对位置可有两种选择，一种是两相机放置在同一平面内，这样两个相机一般会有共同的视场区，然后通过一系列的算法重构出被测对象的三维信息。这种放置方式构成了传统的经纬仪三维测量系统的测量模型。而另一种放置方式是两相机相互垂直交叉放置，一个相机测量一个面的形状信息，然后通过两个相机的相对位置来构建被测对象的三维坐标信息，在这种放置方中，两相机一般没有共同的视场区，这种测量方法的基础其实就是单目测量，然后通过两组单目测量系统进一步构建三维测量系统，严格的说该方法不属于三维测量的方法，该方法一般适用于被测对象具有对称性的场合。下面分别介绍下两种方法的测量原理。 (1)经纬仪三维测量系统[8]

平行放置法是由人类视觉感知模型得到的启示：可以利用两个相机代替人眼，从而构成了三维视觉测量系统。该模型的相机安装位置和被测对象的位置关系如图2.2所示：

PP1＇O1Zc1Zc2P2＇O2X2X1Oc1Xc1Yc1Yc2Y1Y2Oc2Xc2

图2.2 经纬仪三维测量系统模型

现假设物理坐标系OXYZ和左相机CCD1的坐标系重合，p为空间被测对象上的任何一点，p点在两幅图像上的成像点为p1? (u1,v1)和p2?( u2,v2)，则根据摄像机透视变换模型有

?u1??fx??? Zc1?v1??0???0?1???0fy0u0??Xc1??Y?v0???c1? (2.1) 1????Zc1?? - 10 -

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?u2??fx???0Zc2?v2?????0?1???0fy0u0??Xc2??Y?v0???c2? (2.2) 1????Zc2??现假设摄像头的两个坐标系之间的关系为：

?Xc2??Xc1??Y??R?Y??T (2.3) ?c2??c1????Zc2???Zc1??其中R为两个相机之间的旋转矩阵，T为两个相机之间的平移矩阵

?a1? R?a4???a7则由式2.3得：

?tx?a2a3??? T??ty? (2.4) a5a6???t?a8a9???z??Xc1?Zc1(u1?u0)/fx?Y?Z(v?v)/fc110y?c1 (2.5) ???Z?f(v?v)t?f(u?u)t/y20y??c1?x20x?[f(u?u)(a??a??a)?f(v?v)(a??a??a)]x2011223?y2041526其中?1?(u1?u0)/fx,?2?(v1?v0)/fy，从2.5式可以看出只要知道了两个相机的fx、fy、u0、v0以及两个相机之间的空间位置关系(即旋转矩阵和平移向量)，则可以得到两个相机共同视场下的任何一点的空间坐标信息。

由上面的分析可知该种方法能实现三维信息的精确测量，但是它存在一个问题，就是在两幅图像上找同名点比较困难。如果无法找到同名点，那么这种方法就是失败的，在实际中很多人使用人机交互的方法来找同名点，但是本系统要求的自动化水平比较高，要求在无人操作的情况下能完成系统的功能。所以本系统没有采用这种方法。采用的是下面的方法。 (2)两摄像头垂直放置法测量系统

两个摄像头垂直放置法的测量模型如图2.4所示，该模型的物理坐标系为OXYZ，物理坐标系的坐标原点在整个测量系统的底面中心处，摄像头1的坐标系为O1X1Y1，摄像头1相对于物理坐标系OXYZ的位置为：

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?X1??X????? Y1?R1Y?T1 (2.6) ???????Z1???Z??其中R1为摄像头1相对于物理坐标系为OXYZ的旋转矩阵，T1为平移向量。

摄像头2相对于物理坐标系OXYZ的位置为：

?X2??X????? Y2?R2Y?T2 (2.7)???????Z2???Z??其中R2为摄像头2相对于物理坐标系为OXYZ的旋转矩阵，T2为平移向量。

摄像机1Y1O1X1ZAZ2CY2O2Y2B摄像机2DFOEXY

图2.3 两摄像头垂直放置法测量系统模型

现在假设要求图2.4中面ABCD的位置信息，只要求出ABCD四点的三维坐标值也就确定了该面的位置信息。不妨以A为例，因为坐标系OXYZ的X，Y轴分别平行于O1X1Y1坐标系的X1，Y1轴，XOY平面平行于X1O1Y1平面，所以物理坐标系上的任意一点投影到O1X1Y1坐标系上时，旋转向量R1的值为单位阵。

A点在物理坐标系中的X和Y方向的坐标(x，y)，而A点在摄像机1图像中的坐标为(xa,ya),即相当于把物体上的A点投影到X1O1Y1平面，所以有：

?x???1xxa?'??T1?y???1y? (2.8) ???ya?其中?1x和?1y分别为摄像机1在x，y方向上的放大倍数，T1'为摄像机1

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