基于结构光实时三维重建计算机应用技术专业毕业论文文档格式.docx

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学学学学技术系

摘要

三维重建是当前计算机视觉领域最热门的研究方向之一，但传统的三维重建方法效率较低，实时性差，不能满足虚拟现实等新兴领域的市场需求。

本文提出了一种基于彩色结构光的实时三维重建方法RRCS（Real一time3DReconstructionbasedoneolor-codedstructuredlight），利用投影在物体表面的彩色结构光的颜色信息，快速、准确地还原相位，计算物体的高度，最终重建物体的三维模型。

实验结果表明，RRCS对设备的要求低，效果好，具备基本的实时性能。

相位展开是三维重建中的关键步骤，传统相位展开的基本处理单位是点，在RRCS中的效果不理想。

彩色结构光的基本处理单位是边缘，本文提出的基于拓扑排序的彩色结构光空域相位展开算法TSPU压一SPU利用边缘之间存在的拓扑关系来恢复相位，提高了效率。

E一SPU还考虑了相位展开错误的情况，改进了算法的容错性。

相位展开后，通过位置关系将图像中的二维点坐标转化为三维点坐标。

这些点是离散的点，需要进行三角网络化。

三角网络化过程中，针对彩色结构光“点线”数据的特点，提出了基于点线的快速三角网络化算法，充分利用了边缘之间的关联信息，快速地将点线数据转化为三角形网络。

实验表明，算法具有较高的转化效率，能真实重现物体的形态。

针对摄像头输入帧速、图像处理速度与三维显示速度之间不匹配的问题，对帧采用了流水线处理模式，有效祸合了不同模块之间处理速度的差异，提高了处理效率并且改善了用户体验。

关键词:

彩色结构光，实时三维重建，相位展开，点云，摄像机标定

华东师范大学硕士学位论文基于结构光的实时三维重建

Abstract

3Dreconstruction15oneofthemostPoPularareasofresearehineomPutervision.Howevef，thetraditionalmethodof3Dreeonstruetionhaslowereffieieney，Poorreal一timeabilityandeannot

meettheemergingfieldofvirtualrealitydemandsofthemarket.

ThePaPerProPosedanovelreal一time3Dreeonstructionsystembasedoneolor-eoded

strueturedlight（RRCS）.Itrecoversshiflingftomtheeolor-codedstrueturelightonthesurfaeeofobjectquieklyandcorrectly，andthenealculatestheheightoftheobjeetinordertoreeonstruetthe3Dmodel.Experimentsindieatethattherequirementofhardware15lowandhavebasereal一time

ability.

PhaseunwraPPing15thekeystePin3Dreconstruetion.ThePaPeralsoProposedanovel

sPacedomainPhaseunwraPPingalgorithm，which15ealledasTSPU旧一TSPUthatbasedonthe

ProPertiesofeolor一eodedstrueturedlightandthetoPologiealrelationofeolor-striPe.Thebasie

handleunitoftraditionalPhaseunwraPPing15Pointwhileeolor-codedstructuredlight15edge.ThePaperanalyzedthisProblemandotherfailurescenesinordertoenhancefaulttolerance·

AfterPhaseunwrapping，ZDPointsofimageshouldbeeonvertedinto3DPointsofV吸）rldCoordinateSystem.Anewmethodoftriangulationbasedon‘linePoints’15ProsPosedtosolvethetriangUlationoncolorededges.

ThePaPeralsoconsidereddifferentframesPeedondifferentmoduleanddesignanasynchronousimageProeessmodeltoPromoteuserexPerienee.

Keywords:

3Dreeonstruetion，PhaseunwraPPing，Pointcloud，realtimereeonstruet，ealibration

IV

华东师范大学硕l:

学位论文基于结构光的实时三维重建

摘要二”””“”“……”.“.““.”””“..…“””二”””””.”““”….”:

.”“.”””””“..”二””“”””““““.……””~m

ABSTRACT.……”................……””……“...............……””“”.““...........……，…”.…“.....……”.”二”“……“.IV

第1章.绪言.“二”””.“.…”..”.””.”““”…”二”””:

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.“二“……”.””“”二““““二””””””“..“二“二1

第2章.三维重建的发展现状.”“”“””””一”~“一”“”””””””““””“”“一”一””””””””“““一“.一.一3

2.1.立体视觉法.......................................................................................................................……4

2.2.单激光线扫描法...............................................................................................................……5

2.3.正弦光栅相位测量法.......................................................................................................……6

2.4.其他止维重建方法...........................................................................................................……9

2.5.三角网络化.......................................................................................................................……9

2.6.实时三维重建特点及要求.............................................................................................……n第3章.彩色结构光三维重建一””””“”””””””“”“..““一一“”””””””“”““~一”一”””””””””~.U

3.1.彩色结构光三维测量原理..................................................................……，....................……12

3.2.彩色编码方案.................................................................................................................……13

第4章.彩色结构光空域相位展开算法.“.““”..…“”……””””””””“:

.“......……””””””””””“.”.164.1.TSPU算法...................……，............................................................................................……16

4.2.相位展开算法中的欠采样.............................................................................................……18

4.3.E一TSPU算法中的改进....................................................一.............................................……19第5章.点云三角网络化.””“””一”””””””””””一””~”””““””””””一”””””””””””””””“””””….215.1.基于点的三角网络化方法........................................................................................……‘.…21

5.2.基于点线的快速三角网络化算法.................................................................................……23

第6章.系统标定.“二”.““.““.”“二“.”””.”“..….…““二““……”.“..……““.“二“”“.“..…““.…“”““..””.2‘

6.1.摄像机标定.....................................................................................................................……26第7章.RRCS的实现二”””””””:

.““”“..…”.“““…”.“..…“”……”……””二”二”..””””.…”....……“.327.1.系统构架.........................................................................................................................……32

7.2.应用程序设计.................................................................................................................……33

7.3.帧的流水处理模式.........................................................................................................……34

7.4.数据处理过程.................................................................................................................……35

7.5.实验结果..........................................................................................................……，........……45

7.6.实验分析.........................................................................................................................……46第8章.总结与展望..…”.“.”“”…“.…”“”””.”二“““““””.”….”..”…“.”“”二”.”””..“””””…”.““.”.49

参考文献.…”.””.…“…”……”..”.”.”””.”二””二”””“..”.””“.””.”“””.””...….”””“.””二””“””.”.”“”.””.52

致谢.”””“”””...……“.”“”.“””..….“””““““.”“”…”“”….””.......……””.“”..…”二““….“”””””.55

第1章.绪言

计算机性能的提高为三维重建的实现提供了可能，目前三维重建已经成为一个十分活跃的研究领域。

现代工业设计己经从平面设计阶段全面过渡到三维设计阶段，并对物体三维轮廓地准确测量提出了迫切的要求;

在网络上，对通过Intemet进行三维信息的传输、重建与浏览的需求也在与日俱增;

在电子商务领域中，对利用三维浏览技术对产品进行全方位展示的需求也在不断增加。

目前，三维重建技术的较多的应用于医学领域和工程领域，主要是基于CT图象和三视图的重建，并总结出一些行之有效的三维重建方法。

重建技术有接触式和非接触式两大类，测量原理包括光、机、电、磁、声等，非接触式光学三维测量的研究尤为受到重视[l][2】。

目前，非接触式l’l光学三维重建方法主要有:

立体视觉法ls1、单激光线扫描法101、正弦光栅相位测量法lv]和傅里叶变换法[v]等。

根据表现方式，三维重建又可分为静态三维重建和实时（动态）三维重建。

静态三态重建是指将物体某一时刻的三维信息（形状，纹理等）重建出来，而实时三维重建是指将物体连续、动态的三维信息重建出来。

静态三维重建已经成功的应用于表面缺陷检测、逆向工程、人脸识别、生物学的人体建模、计算机视觉中，实时三维重建的动态特性使其具有更加广泛的应用前景。

在虚拟现实领域，利用光学式三维测量法对实物快速、准确的进行重建，满足影像特技、电脑游戏、虚拟现实、互联网虚拟观摩等需要。

在三维动画制作领域，避免了使用三维制作软件手动生成三维模型的过程，加快动画制作。

另外，实时三维重建在动画人物的脸部造型方面也有着得天独厚的优势。

在动作跟踪领域中，利用重建得到的三维坐标，实现空间位置跟踪，例如跟踪玩家头部活动、手的运动与变化等，设计出新颖的操作方式。

实时三维重建需要满足以下特定的要求:

（l）算法效率高，处理数据少，满足实时性要求;

（2）能从一幅图像数据中恢复目标的三维信息;

（3）算法对噪声有良好的适应能力，因为动态图像的信噪比比静态图像低得多;

（4）无交互性。

正弦光栅相位测量法和傅里叶变换法都需要人[参与修正相位展开的结果，而实时三维重建没有人工修正的时机。

相对于静态三维重建，对实时三维重建的研究相对较少，已有的二维重建方法大多因效

华东师范大学硕士学位论文基于结构光的实时三维重建

率较低，实时性差，需要多幅图像才能恢复物体的三维信息，并不适合实时三维重建。

本文研究了彩色结构光110】的特性，并将其应用在实时三维重建中，设计了一个