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1、2011届毕业生毕业论文题 目: 双目立体视觉测量技术研究 院系名称：电气工程学院 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 讲师 2011年 05月 25日I摘 要立体视觉技术是随着计算机技术的发展和机器人视觉的研究而迅速发展的一项重要的技术，双目立体视觉技术则是立体视觉技术中的一重要分支，其技术主要包括：视频捕获、摄像机定标、图像预处理和特征提取、立体匹配以及三维重建。计算机立体视觉研究的主要内容是由多幅二维的平面图像恢复出被拍摄物体的三维坐标，而其中基于两幅图像的双目视觉技术则是一个研究热点。双目立体视觉测量方法具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低等优点，非常适合于
2、制造现场的在线、非接触产品检测和质量控制。双目立体视觉的基本原理与人类视觉的立体感知过程一样，从两个视点观察同一景物，以获取不同视角下的感知图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差，以获取景物的三维信息。一个完整的双目视觉系统包括多个部分。本论文主要研究摄像机标定和图像特征提取、立体匹配这方面的内容。根据选的立体视觉成像系统模型简单阐述了立体视觉测距的基本原理。并简单阐述了图像处理的一些简单方法。关键词： 立体视觉 立体匹配 摄像机定标 特征提取Range Measurement Based On Binocular Stereo VisionAbstract Stereo vision
3、 technology is an important and rapidly developing technology with the development of computer technology and robotic vision research,binocular stereo vision technology is the three-dimensional vision technology in an important branch of.The technology mostly include:video frequency trapping,camera
4、calibration,image preprocessing,feature extraction,stereo matching and Tri-dimensional reconstruction as well. Computer stereo vision of the main pieces of two-dimensional plane by the images being taken to recover the three-dimensional coordinates of objects, of which two images of stereo vision-ba
5、sed technology is a hotspot. Stereoscopic measurement method has high efficiency, precision fit, simple structure, low cost, very suitable for manufacturing site on-line, non-contact product testing and quality control. The basic principle of binocular stereo vision and the process of human visual p
6、erception of three-dimensional, like observing the same scene from two viewpoints in order to obtain the perception of images under different perspectives, through triangulation principles calculate the location of deviation between the image pixels to obtain three-dimensional scene Information. A c
7、omplete system consists of several parts of binocular vision. In this thesis, camera calibration and image feature extraction, stereo matching content in this area. Based on stereo vision imaging system selected a simple model describes the basic principles of stereo vision ranging. And briefly desc
8、ribes some simple image processing methods.Key words：Stereovision; Stereo matching;Camera calibralion; Feature Extraction; 目录1 绪论111引言112国内外研究发展状况213双目立体视觉系统概述314图像处理技术概要3141简化匹配的几何关系4142立体匹配及实现52 立体视觉测量原理及算法721摄象机工作原理722摄像机的标定9221摄像机的标定模型9222需要标定的参数9223摄像机的标定方法1023立体视觉测距原理1124 图像处理技术和算法研究15241像素灰度提
9、取和变换15242图像预处理17243直方图修整1825小结193 图像处理的关键技术2031边缘检测技术2032特征点的提取2433立体匹配2634立体匹配方法28341基于区域相关的匹配29342基于特征的匹配3035小结314 视觉测距模型的简单设计3241测量系统结构框图3242实验方案设计3243实验误差分析3344小结34结论35致 谢37参 考 文 献381 绪论11引言视觉作为人类认知世界、观察世界的重要功能手段，其研究技术也很受人们的关注，近年来随着计算机技术的飞速发展，很多新的科学技术日新月异的出现，机器人的视觉更是备受关注，机器视觉是一个相当新而且发展迅速的研究领域，机器
10、视觉技术正广泛地应用于各个方面，许多人类无法感知的场合，如危险场景感知等，机器视觉更突显其优越性。由于机器视觉受到更多的关注，其重要的支撑技术双目立体视觉技术得到了人们越来越深的研究，并取得了很好的成果。计算机视觉是计算机科学和人工智能的一个分支，计算机视觉就是用机器代替人的眼睛和大脑，对客观世界进行感知和解释的技术。该系统的首要目标是使计算机具有通过一幅或者多幅二维图像认知周围的三维环境信息的能力。这种能力不仅可以使计算机能够感知三维环境中物体的几何信息，并且能够对它们进行描述、存储并使用图像来创建和恢复现实世界模型，从而达到认知现实世界的目的。在三维的现实世界中，人类的视觉系统能够很容易地
11、从二维图像中感知三维世界，获得三维世界的信息。双目立体视觉的研究就是通过一幅或多幅图像如人眼一样认知周围环境的信息。通过这项技术能使机器人感知环境中物体的几何信息，像物体的形状、位置、姿态、运动等，而且能对它们进行描述、存储、识别与理解。机器人视觉系统的基本结构如图11所示。 低层 位置与图像 处理 形状 物体描述识别重建特征检测图1.1 机器人视觉系统基本结构12国内外研究发展状况双目立体视觉是一个有着广阔应用前景的学科，随着光学、电子学以及计算机技术的发展，将不断进步，逐渐实用化，不仅将成为工业检测、生物医学、虚拟现实等领域的关键技术，还有可能应用于航天遥测、军事侦察等领域。在国外，日本和
12、美国在这方面的研究处于领先的地位，日本一些大学研制了一种自适应双目视觉伺服系统，实现了对运动方式未知的目标的自适应跟踪。有的使用立体显微镜、两个CCD摄像头、微操作器等研制了使用立体显微镜控制微操作器的视觉反馈系统，用于对细胞进行操作，对钟子进行基因注射和微装配等。美国麻省理工学院计算机系提出了一种新的用于智能交通工具的传感器融合方式，由雷达系统提供目标深度的大致范围，利用双目立体视觉提供粗略的目标深度信息，结合改进的图像分割算法，能够在高速环境下对视频图像中的目标位置进行分割。在国内，浙江大学机械系完全利用透视成像原理，采用双目体视方法实现了对多自由度机械装置的动态、精确位姿检测。哈工大采用
13、异构双目活动视觉系统实现了全自主足球机器人导航。火星863计划课题“人体三维尺寸的非接触测量”，采用“双视点投影光栅三维测量”原理，由双摄像机获取图像对，通过计算机进行图像数据处理，不仅可以获取服装设计所需的特征尺寸，还可根据需要获取人体图像上任意一点的三维坐标。上世纪六十年代以后以Matt、Barrow和Tenenbaum等人为代表的一些研究者提出了一整套视觉计算的理论，其核心是从图像恢复物体的三维形状。后又经过差不多三十年的发展，机器人立体视觉取得了一大批成果。但随着机器人立体视觉研究的不断深入，大们发现了一些视觉理论的局限性，即从景物图像或系列图像求出景物精确的三维几何场景并定量的确定景
14、物中物体的性质时遇到了困难。但随着移动式机器人立体视觉研究的发展及大量科学技术的发展，双目立体视觉技术得到了很好、很大的发展。这一时期引入主动视觉的研究方法，并采用了距离传感器以及视觉融合技术等。13双目立体视觉系统概述双目立体视觉是机器视觉的一种重要形式，它是基于视差原理并利用成像设备从不同的位置获取被测物体的两幅图像，通过计算图像对应点间的位置偏差，来获取物体三维几何信息的方法。融合两只眼睛获得的图像并观察它们之间的差别，使我们可以获得明显的深度感，建立特征间的对应关系，将同一空间物理点在不同图像中的映像点对应起来，这个差别，我们称作视差图像。一个典型的双目立体视觉系统，两摄像机沿基线放置
15、，其光轴相互平行，空间点的像分别在左右两个像平面上的投影位置的间距称为视差。由视差计算深度是非常容易的，但视差本身的计算是立体视觉中最困难的部分，它涉及到模型分析、摄像机定标、图像预处理、特征选取及特征匹配。在机器人双目立体视觉系统的硬件结构中，目前通常采用两个CCD摄像机作为视频信号的采集设备，通过专用图像采集卡与计算机连接，把摄像机采集到的模拟信号经过采样、滤波、量化，最终提供给计算机图像数据。而当置于移动机器人上的摄像机光心平行放于一条直线上时，构成平行双目立体视觉系统，这是最简单最典型的一种情况，通过对它各个部分的几何关系的分析，我们可以获取目标场景的深度信息。双目立体视觉测量方法具有效率高、精度合适、系统结构简单、成本低
