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1、1绪论11.1研究背景及意义11.2三维测量技术的研究现状11.2.1接触式三维测量技术11.2.2非接触式三维测量技术21.3视觉三维测量方法的研究现状31.4研究目的及研究内容42双目视觉自定位线扫描测量原理及组成62.1测量系统的基本原理62.2双目视觉三维重建数学推导82.3极线匹配的数学推导102.4本章小结123双目立体视觉系统标定143单目相机标定相关概念的概述153.1.1单目相机标定的定义153.1.2单目相机的成像模型153.1.2.1成像模型的简述153.1.2.2成像过程中各个参考系的定义163.1.2.3单目相机成像模型的数学推导173.2张正友单目相机标定203.2
2、.1单应性矩阵H的计算203.2.2单目相机内、外参数的计算213.2.2.1单目相机内参数矩阵A的计算213.2.2.2单目相机外参数的计算22322.3单目相机畸变系数的计算233.3双目相机外参数的标定与系统模型的建立233.3.1系统模型的建立233.3.2双目相机外参数的计算263.3.2.1外参数初始值的计算2633.2.2基于标准长度的外参数优化263.4本章小结27#4线激光的提取、细化和三维莹建284图像中线激光条纹的提取和细化284.1.1图像中线激光条纹的提取284.1.2图像中线激光条纹的细化294.2左、右图像中线激光的立体匹配314.3单条线激光的三维重建实验334
3、.4本章小结355自定位点云拼接365图像中标志圆心的提取365.2左、右图像中标志圆心的极线匹配385.3标志圆心的三维重建395.4基于标志圆的自定位点云拼接395.4.1空间中标志圆心的三角模板匹配415.4.2线激光三维坐标的点云拼接425.5本章小结436三维测量系统设计和实验分析446三维测量系统的设计446.1.1硬件系统的设计446.1.2软件系统的设计456.2双目视觉自定位线扫描三维测量实验466.2.1实验方案概述466.2.2双目工业相机成像系统的标定实验466.2.2.1计算双目工业相机成像系统的内、外参数466.2.2.2双目相机标定的精度分析476.2.3物体外貌
4、的三维更建486.2.4三维重建的精度分析516.2.5雕塑人头像的三维重建实验 526.3本章小结 557全文总结和工作展望 567.1全文总结 567.2工作展望57参考文献58插图清单图1便携式三坐标测量机（FAROGage） 2图1.2手持式3D激光扫描仪3图1.3激光三角法原理图3图1.4线激光三角法三维测量4图2.1系统组成原理图6图2.2线激光扫描三维测量流程图7图2.3双目立体视觉三维测量原理图.18图2.4极线几何成像模型11图3.1单冃相机成像模型16图3.2传统的平面靶标（左图）和方向性平面靶标（右图）24图3.3双目相机标定的系统模型25图4.1灰度图像f（u,v）的双
5、峰图28图4.2左、右相机拍摄的线激光条纹（实验图）29图4.3左、右图像中线激光条纹的提取（实验图）29图4.4左、右图像中线激几条纹的细化处理（实验图）31图4.5单条线激光的三维重建效果图（实验图）33图5.1图像中标志圆心的提取（算法流程图）37图5.2左、右图像中标志圆心的提取和极线匹配38图5.3基于标志圆的自定位点云拼接原理图40图6.1双目视觉线激光扫描三维测量系统44图6.2方向性平面靶标（实物图）45图6.3三维测量系统的软件界面45图6.4双目相机拍摄的8幅左标定图像和8幅右标定图像46图6.5双目立体视觉标定实验中计算的标准长度Li48图6.6双目立体视觉标定实验中计算
6、的标准长度误差（LiL0） 48图6.7三维测量实验中的被测物体（实物图） 49图6.8线激光扫描被测物体的表面（实验图）49图6.9祓测物体表面的三维坐标点云50图6.10彼测物体表面的三维重建（实验图）50图6.11披测物面中平面1的拟合实验图51图6.12被测物面中平面2的拟合实验图51图6.13被测物体表面的垂直度测量52图6. 14雕塑人头像的实物图53图6. 15线激光扫描雕塑人头像（实验图）53图6. 16雕塑人头像中人脸部位一个侧面的三维坐标点云54图6. 17雕塑人头像中人脸部位一个侧面的三维重建效果图54#表格清单表3.1单目相机的模型参数15表4.1单条线激光的三维坐标
7、34表51匹配的标志圆心图像像索坐标和对应的标志圆心三维坐标（实验数据）39#第一章绪论1绪论1.1研究背景及意义本论文研究的内容来源于“国家科技支撑计划项目国家重大仪器专项”中的 部分研究内容。为了满足三维测量的应用需求，研制了一套双目立体视觉自定位 线扫描三维测量仪器，为物体形貌三维测量的实现提供了技术积累。军工制造、医学应用等领域的快速发展，对物体形貌测量有了新要求。特别 是工业生产中汽车轮廓的三维测量，军工制造中飞机、船舶发动机轮廓的三维测 量。为了满足实际应用的需求，国内、外科学工作人员专注于新型三维测量的研 发。英国Marr教授（1977）提出了 “Marr视觉理论”【“】。从这以
8、后视觉无损测 最技术得到极快地发展。目前，对于视觉无损测量技术的认知，国内仍然落后于国外。为了满足工业 生产、军工制造等领域的发展需求，国外发达国家投入大量的人力、物力研发计 算机视觉三维测量技术，经过多年的技术积累，国外公司研发了许多高性能的计 算机视觉三维测量仪器，但是这些三维测量仪器售价昂贵。为了缩小这种差距，国内一些奇校、企业和科研机构都己开展了视觉无损测 量技术的研允，并且取得了一定的技术成果，例如，合肥工业大学利用数字条纹 投彫实现了物体外貌的三维测量。但是和国外相比，国内的计算机视觉三维测量 技术还很不成熟，计算机视觉三维测量的相关理论仍需要进一步研究，为此本文 若重研究双目立体
9、视觉自定位线扫描三维测量技术，研究了双目立体视觉三维测 量的原理和相关的数字图像处理算法。1.2三维测量技术的研究现状工业生产、军工制造、医学应用等领域都需要获取物体三维形貌信息，人们 研究了不同的三维测量原理，利用这些三维测量原理开发出不同的三维测凰仪器。1.2.1接触式三维测量技术该技术主要利用测头系统轻轻地触碰待测物体表面，从而获得触碰点处的三 维坐标，为了垂建物体表面轮廓测头系统需要逐点遍历整个待测表面。例如，美 国法如科技公司生产的三坐标测量机FARO Gage （参见图1.1）,根据应用环境要 求，应该适配合适的测头系统。测头系统与被测轮廓接触，使得二维测量时被测 轮廉易被划损，测头系统逐点遍历被测轮廓，因此效率低不能实时三维测量。三 坐标测量机的价格十分昂贵，一般无力购买。
