（光学工程专业论文）用于三维复合精细成像的双ccd交会测量技术研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 利用成像激光雷达和双c c d 交会测量技术的优势互补，发展基于激光雷达和 双c c d 交会测量的新型三维精细成像技术，可以提高目标的检测和识别效率，高 速实时地获得目标的三维精细信息。针对此应用背景，同时结合成像激光雷达的 特性，本论文研究了三维精细成像中的双c c d 交会测量技术。在此基础上，搭建 了一套双c c d 交会测量实验系统，对典型目标进行了三维测量和重建实验，验证 了双c c d 交会测量相关理论和参数标定算法的合理性，为发展三维精细成像技术 奠定基础。 首先，在研究双c c d 交会测量数学模型基础上，采用误差分析方法，仿真分 析双c c d 交会测量精度与光轴倾角、有效焦距、基线长度、目标探测距离以及视 场角等参数的关系，为设计符合实际要求的双c c d 交会测量系统提供理论依据。 为了与激光雷达复合完成三维精细成像，论文结合激光雷达的特性，建立了 双c c d 与成像激光雷达之间的视场约束关系。据此优化设计了双c c d 交会测量 系统的结构参数，搭建了双c c d 交会测量实验系统。 其次，全面研究了双c c d 交会测量系统的全局标定方法。在分析总结现有摄 像机标定算法的基础上，对张正友的平面模板标定法进行了改进，提高了摄像机 的标定精度。基于单摄像机标定理论，讨论了双c c d 结构参数的标定方法，并对 标定精度进行了评估。为了确定双c c d 坐标系与成像激光雷达坐标系的变换关系 以便把两者统一起来，论文首先对现有的单c c d 与成像激光雷达位置关系的标定 算法进行改进优化，提高了标定精度。然后根据已标定出的双c c d 结构参数和一 个c c d 与成像激光雷达的位置关系，推导出成像激光雷达坐标系到另一个c c d 坐标系的投影变换矩阵，从而解决了重复标定问题，节约了系统标定时间。 采用h a r r i s 角点检测算法提取图像中角点的亚像素坐标，并在此基础上利用 基于奇异值分解的宽基线特征匹配算法，对从两幅图像中提取的角点进行了初步 匹配。 最后，利用搭建的双c c d 交会测量系统对典型目标进行了三维测量和重建实 验，并对实验结果进行了分析。结果表明，该实验系统基本实现了三维重建功能， 从而验证了三维复合精细成像中双c c d 交会测量有关理论和标定算法的正确性。 主题词：双c c d 交会测量全局标定三维成像激光雷达三维重建三维 复合精细成像 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t c o m b i n i n gt h er e s p e c t i v ea d v a n t a g e so ft h ei m a g i n gl a s e rr a d a ra n di n t e r s e c t i o n m e a s u r i n gt e c h n o l o g yw i t hd u a l c c dc a nd e v e l o pan e wt h r e e d i m e n s i o ni m a g i n g m o d e ，w h i c hc a ni m p r o v et h ed e t e c t i n ga n dr e c o g n i z i n ge f f i c i e n c yo fo b j e c t sa n do b t a i n t h e i rt h r e e - d i m e n s i o nf i n ei n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t ，t h ei n t e r s e c t i o n m e a s u r i n gt e c h n o l o g yi ss t u d i e di nm y d i s s e r t a t i o n a ne x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti ss c t 印b a s e do nt h et e c h n o l o g ya n ds o m et y p i c a lo b j e c t sa r em e a s u r e da n dr e c o n s t r u c t e db y t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ec o r r e l a t i v e t h e o r ya n dc a l i b r a t i n ga r i t h m e t i co fp a r a m e t c r sf o rt h ei n t e r s e c t i o nm e a s u r i n gs y s t e m w i t hd u a l c c da r ef e a s i b l e f i r s t l y , am a t h e m a t i c a lm o d e lf o r t h ei n t e r s e c t i o nm e a s u r i n gt e c h n o l o g yw i t h d u a l c c di se s t a b l i s h e db a s e do ng e o m e t r i c a li m a g i n gp r i n c i p l e t h r o u g ha n a l y z i n gt h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yo ft h ed e t e c t e dp o i n t , t h ei n f l u e n c eo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so n t h em e a s u r e m e n tr e s u l ti si n v e s t i g a t e d ，w h i c hi n c l u d et h ea n g l e sf o r m e db yt h eo p t i c a l a x e sa c r o s sab a s e l i n e ，f o e a ll e n g t h ，b a s e l i n ea n dd e t e c t i n gd i s t a n c e s t h er e s u l t sa r e e v a l u a t e di nd e s i g n i n gi n t e r s e c t i o nm e a s u r i n gs y s t e mw i t hd u a l - c c d i no r d e rt or e a l i z et h r e e - d i m e n s i o nf i n ei m a g i n gb y s y n c r e t i z i n gt h el a s e rr a d a ra n d i n t e r s e c t i o nm e a s u r i n gt e c h n o l o g y 丽t hd u a l - c c d ac o n s t r a i n e dr e l a t i o ni sd e d u c e d b e t w e e nt h ed u a l - c c da n di m a g i n gl a s e rr a d a r s o m es t r u c t u r a lp a r a m e t e r so ft h e i n t e r s e c t i o nm e a s u r i n gs y s t e ma l eo p t i m a l l yd e s i g n e du t i l i z i n gt h ec o n s t r a i n ta b o v ea n d e x p e r i m e n t a le q u i p m e n ti sb u i l tt ov a l i d a t et h er e l a t e da l g o r i t h m s e c o n d l y , t h eg l o b a lc a l i b r a t i n gm e t h o do ft h ei n t e r s e c t i o nm e a s u r i n gs y s t e mw i t h d u a l - c c di sd i s c u s s e dr o u n d l y 1 1 h ec a m e r ac a l i b r a t i o nm e t h o dw h i c hw a sp r o p o s e db y z h a n gz h e n g y o ut h r o u g hd e w i n gt h ec a l i b r a t i o np l a nf r o md i f f e r e n tp o s i t i o n si s i m p r o v e dt or e d u c et h et a n g e n t i a ld i s t o r t i o n c o m p a r e d 谢t 1 1o r i g i n a la l g o r i t h m ，t h e i m p r o v e dm e t h o di sm o r ea c c u r a t e b a s e do nt h ec a m e r ac a l i b r a t i o n ，t h es t r u c t u r a l p a r a m 她b e t w e e nt w oc c d a r ec a l i b r a t e da n dt h ec a l i b r a t i n ga c c u r a c yi se v a l u a t e d t os o l v et h ep r o j e c t i o nt r a n s f o r m a t i o nr e l a t i o nb e t w e e nc c da n dl a s e rr a d a ra x e ss o t h a tt h e yc a nb es y n c r e t i z e d , t h ee x i s t e n tc a l i b r a t i n gw a yo fd e c i d i n gt h e i rr e l a t i v e p o s i t i o ni sa m e n d e da n do p t i m i z e d , w h i c hm a k e st h er e s u l tb e t t e r b ym e a n so ft h e c a l i b r a t i o nr e s u l t so fd u a l - c c ds t r u c t u r a l p a r a m e t e r sa n dt h ep r o j e c t i o nr e l a t i o n b e t w e e no n ec c da n dl a s e rr a d a r , t h ep r o j e c t i o nt r a n s f o r m a t i o nm a t r i xl i n k i n gl a s e r r a d a ra n da n o t h e rc c da x e si sd e d u c e d , w h i c ha v o i d st h ec a l i b r a t i o nr e p e a t e d l ya n d i m p r o v e st h ec a l i b r a t i o ne f f i c i e n c y t om a t c ht h ec o r r e s p o n d e n c ep o i n t sb e t w e e nt w op i c t u r e s ，s u b - p i x e lp o s i t i o n so f p o i n t sa r ed e t e c t e d f i r s tu s i n gh a r r i sc o m e rd e t e c t i n g a l g o r i t h m a n dt h e nt h e c o r r e s p o n d e n c ep o i n t sa r em a t c h e de m p l o y i n gs v d - b a s e dm a t c h i n ga l g o r i t h mw h i c h 第i i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 d e c i d e st h ep r o b l e mo fw i d e - b a s e l i n es t e r e om a t c h i n g f i n a l l y , u s i n gt h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n t , s o m et y p i c a lo b j e c t sa r cm e a s u r e da n d r e c o n s t r u c t e d a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h ee q u i p m e n tp o s s e s s e st h e r e c o n s t r u c t i o nf u n c t i o n ，w h i c hc o n f i r m st h a tt h ec o r r e l a t i v et h e o r ya n da r i t h m e t i ca b o u t 3 df i n ei m a g i n ga r ef e a s i b l e k e yw o r d s ：d u a l - c c d ，i n t e r s e c t i o nm e a s u r e m e n t ，g l o b a lc a l i b r a t i o n , t h r e e d i m e n s i o n i m a g i n g l a s e r r a d a r , 3 d - r e c o n s t r u c t i o n , t h r e e d i m e n s i o n c o m p o s i t ef i n ei m 画n g 第i v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表3 1 优化设计初始参数设置2 5 表3 2 双c c d 交会测量系统结构参数优化设计计算结果2 6 表3 3 相机和镜头选型及指标2 7 表4 1 三类摄像机标定方法比较3 0 表4 2 三次标定实验结果3 7 表4 3 摄像机标定精度3 8 表4 4 三种算法标定结果对比3 8 表4 5 三种算法标定精度对比。j 。3 9 表4 6 测试点实际位置与重建位置的平均偏离程度4 4 表4 7 两种算法的标定精度比较4 8 表4 8 匹配结果5 2 表5 1 不同探测距离处的重建误差5 5 表5 24 个基线长度下的双c c d 结构参数。5 6 表5 3 远距离目标重建误差5 7 表5 4 盒子特征点重建坐标5 8 表5 5 重建的标定靶3 个平面的平面度6 2 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 双c c d 交会测量系统基本组成模块2 图1 2 主动立体视觉系统4 图1 3 双目立体视觉系统4 图1 4 立体视觉和d e p t hc a m e r a 融合系统5 图1 5 双目视觉和p m d 融合系统5 图1 6b u m b l e b e e 2 双目视觉产品5 图1 7s t h m d c s 3 v a r x 双目视觉产品5 图2 1 摄像测量常用坐标系中心透视投影成像关系7 图2 2 双c c d 交会测量原理示意图1 0 图2 3 双c c d 有效视场1 2 图2 4 误差传递函数随垂直视场角的变化1 4 图2 5 坐标测量误差与两c c d 光轴倾角的关系1 4 图2 6 坐标测量误差与有效焦距i 、五的关系1 6 图2 7 坐标测量误差随水平视场的变化1 3 图2 8 坐标测量误差与参数k 的关系1 9 图3 1 三维成像激光雷达总体结构简图2 l 图3 2 激光雷达坐标系。2 i 图3 3 双c c d 与成像激光雷达的水平视场约束2 2 图3 4 垂直视场约束2 3 图3 5 优化设计程序流程图2 5 图3 6 双c c d 交会测量系统结构示意图2 7 图3 7 系统实物图片。2 7 图4 1 张正友平面模板标定原理示意图3 l 图4 2 标定时拍摄的模板图像。3 6 图4 3 图像水平和垂直坐标误差分布。3 8 图4 4 线性标定误差分布3 9 图4 5 双线性插值示意图。4 0 图4 6 图像畸变校正效果。4 l 图4 7 标定时左右c c d 采集的同一模板图像4 3 图4 8 各坐标方向的测量误差4 4 图4 9 立体标定靶。4 6 图4 1 0 测试点实际位置与投影位置偏差。镐 第v i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图4 1 1 角点检测与匹配结果5 2 图5 1 实验现场图片5 4 图5 2 实验测量的物体5 4 图5 3 系统重建误差与探测距离的关系5 5 图5 4 系统重建误差与基线长度的关系5 6 图5 5 重建标准差与基线长度的关系5 6 图5 6 待测远距离目标5 7 图5 7 远距离重建误差随探测距离的变化关系5 7 图5 8 左右c c d 拍摄的图像。5 8 图5 9 盒子三维重建效果图( 视角1 ) 5 9 图5 1 0 盒子三维重建效果图( 视角2 ) 5 9 图5 1 1 待测墙壁6 l 图5 1 2 成像激光雷达扫描图6 l 图5 1 3 墙壁三维重建效果图6 l 图5 1 4 待测标定靶6 1 图5 1 5 标定靶重建效果图6 2 第v i i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名： 塑睦日期：劢q 年陀月1 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 塑盛 作者指删币签名：垒丝蚕 日期：1 0 0 7 年f 2 月1 日 日期：明年，月方日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 近年来，随着光电技术，计算机技术和图像处理技术的突飞猛进，三维成像 测量技术也获得了飞速的发展。相对于传统的二维图像信息，三维图像信息不仅 能够反映物体的颜色和灰度信息，而且可以全方位地表现物体的空间相对位置， 使得对物体的描述更加客观逼真。 三维成像是利用距离传感器获取目标表面的距离图像，实现对目标表面几何 形状的测量，距离图像的每个像素对应的是目标表面的三维坐标【l 】。由于三维图像 可以提供目标的形状、方位和姿态等立体信息，因而在许多研究领域如无缝焊接 和土陶器的形状识别以及动植物克隆等方面，高速、高精度地测量物体的三维形 状是不可或缺的环节【2 】。另外，在工业应用中，三维成像技术广泛应用于产品的在 线检测和生产线的实时监控。在交通运输应用中，三维成像技术可以获取完整的 环境信息，从而提高交通工具对于环境变化作出反应的能力。在军事应用中，三 维成像系统能够获得战场的三维真实环境，从而可以实时地把握战场动态，为战 争决策指挥提供强有力的指导。 成像激光雷达和双c c d 交会测量技术是目前正在发展中的两种主要三维成像 技术，都可以探测目标的三维图像。由于两者的成像原理完全不同，成像激光雷 达和双c c d 交会测量技术具有各自的特点。 成像激光雷达是激光技术和雷达技术相结合的产物，它由激光发射接收光学 系统、光学扫描系统和信息处理系统等部分组成。激光器发射一个脉宽很窄的脉 冲，通过测量光波的往返时间，从而确定目标的距离。扫描光学系统按照一定的 扫描图样将发射光束指向目标上的不同位置，通过检测回波强度，可以确定目标 的反射率特性。这样就可以通过接收系统获得目标的角度一角度强度图像和角度 角度距离图像【3 1 。成像激光雷达的特殊工作机制决定了其具有较高的角度和距离 分辨率，可直接探测目标的三维图像、作用距离大、测距精度基本与探测距离无 关等特性，故在直升机防撞、三维地形测量和空间交会对接等方面具有重要的应 用前景。但由于受成像速率和脉冲激光器重复频率的限制，激光雷达的每帧图像 分辨率比c c d 低2 - - - 3 个数量级。 双c c d 交会测量又称双目立体视觉，是计算机视觉的一个重要分支，它利用 不同位置的两台摄像机( c c d ) 或一台摄像机经过移动或旋转，从不同角度同时获取 同场景的两幅图像，通过计算空间点在两幅图像上的视差来获取三维场景的位 置信息。由于其直接模拟人眼处理景物的方式，因此可靠简便，并且具有较高的 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 测量精度和速度，广泛应用于机器人导航与航测、直升机着陆和虚拟现实等诸多 领域【4 】【5 】。但现阶段双c c d 交会测量技术大多应用于近距离的现场测量【5 1 ，并且耗 时低效的立体匹配问题没有完全解决，已成为双c c d 交会测量技术发展的瓶颈。 由于目前c c d 的分辨率可达到1 0 0 0 x1 0 0 0 以上，激光雷达的三维图像与双 c c d 交会测量复合以后，分辨率可以提高2 - - - , 3 个数量级，而且由于激光雷达的测 量精度基本与距离无关，可以实现较大距离范围的三维精细成像。同时，利用激 光雷达与双c c d 的位置关系约束，可以减小双c c d 交会测量中立体匹配的搜索 范围，从而提高立体匹配的速度和准确率。 因此，利用成像激光雷达和双c c d 交会测量技术的优势互补，发展基于激光 雷达和双c c d 交会测量的新型三维精细成像技术，可以提高目标的检测和识别效 率，高速实时地获得目标的三维精细信息。在三维场景重建、机器人导航以及战 场侦察评估等领域具有重要的应用前景。在地形测绘方面，应用此项技术可以获 得高逼真度的三维数字地图，从而促进汽车导航和城市规划的发展。 本课题来源于国家自然科学基金项目“基于激光雷达与双c c d 交会测量的三 维精细成像技术”，主要研究三维复合精细成像中的双c c d 交会测量技术。 1 2 双c c i ) 交会测量技术发展概况 1 2 1 双c c d 交会测量技术基础 双c c d 交会测量是由位于不同位置的两c c d ，同时对空间同一场景成像，由 两幅图像获取物体三维几何信息的方法。它是以机器视觉理论为基础，基于三角 法原理进行测量的，即两个c c d 的图像平面和被测物体之间构成一个三角形。已 知两c c d 之间的位置关系，便可以测量两c c d 公共视场内物体的三维尺寸及空 间物体特征点的三维坐标【6 j 。 一个完整的双c c d 交会测量系统一般以计算机为中心，由图像采集获取、图 像处理、摄像机标定、立体匹配、三维重建和图像显示等模块构成，如图1 1 所示。 图1 1 双c c d 交会测量系统基本组成模块 图像采集获取模块的主要功能是控制两c c d 采集交会测量系统要处理的两幅 原始图像。采集图像时不但要满足系统的应用要求，而且要考虑视点差异、光照 条件、摄像机性能以及景物特点等因素的影响 7 1 。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图像处理模块主要是对c c d 采集的原始图像进行滤波去噪处理，进而提取出 有用的目标特征，如点、线以及边缘特征等。从图像采集获取模块得到的原始图 像对，由于包含了各种各样的随机噪声，目标的有用特征被噪声淹没，影响了特 征提取的精度。因此在对图像操作之前，必须对原始图像进行预处理，以改善图 像质量，提高图像清晰度，便于各种特征提取。图像预处理主要包括图像滤波、 图像增强和锐化等。在对图像进行预处理之后，便可以利用角点提取、边缘检测 等特征提取算法提取目标特征。 摄像机标定主要是通过实验计算确定摄像机成像模型中的各种内外参数，以 及两摄像机之间的相对位置关系，以便确定空间坐标系中物体点与它在图像平面 上像点之间的对应关系。摄像机标定是双c c d 交会测量中的关键环节，标定精度 的高低直接影响着三维重建的精度，因此必须运用成熟稳定的摄像机标定方法对 摄像机的内外参数进行定标。 立体匹配是根据对所选特征基元的计算，建立特征间的对应关系，将两图像 中对应的同一空间特征联系起来，以进行后续的三维重建。立体匹配是双c c d 交 会测量技术中最复杂最困难的环节。由于受光照条件、噪声等诸多因素的影响， 空间同一特征在不同视点下的图像有很大差异，因此，很难对图像进行高效匹配。 目前还没有一种通用的立体匹配算法用以指导双c c d 交会测量中同名特征间的匹 配。 三维重建是利用事先已标定好的摄像机内外参数和匹配特征，由双c c d 交会 测量模型恢复空间景物的三维信息，并通过后续数据处理，把景物的三维空间信 息真实地显示出来。 1 2 2 双c c d 交会测量技术的发展现状 双c c d 交会测量技术又称双目立体视觉，自从m a r r 视觉计算理论提出以来， 机器视觉特别是双目立体视觉取得了长足发展。进入8 0 年代中后期，随着移动式 机器人立体视觉研究的发展，大量运用空间几何的方法以及物理知识来研究双日 立体视觉，主要是完成对道路和障碍的识别处理。目前，双目立体视觉主要用于 以下领域：零部件识别与定位、产品检验、移动机器人导航和遥感图像分析等瞪j 。 2 0 0 0 年，r i a d h 等人提出了一种用于测量土壤表面三维轮廓的双c c d 立体视 觉系统，在距离地面2 m 的位置处，沿高度方向的测量精度达到6 r a m 9 1 。2 0 0 2 年， 麻省理工学院计算机系提出了种新的用于智能交通工具的传感器融合方法，通 过把雷达系统和双目立体视觉各自提供的目标深度信息进行融合，结合改进的图 像分割算法，实现了对视频图像中的目标位置进行高速实时的分割【l 们。2 0 0 3 年， 华盛顿大学与微软公司共同为火星卫星“探测者号研制了宽基线立体视觉系统， 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 系统使用同台摄像机在“探测者”的不同位置拍摄躅像对，采用非线性优化算 法得到两次拍摄图像时摄像机的相对准确位置，通过高效地立体匹配和精确视差 估计，计算图像对中各点的三维坐标，使“探测者”号能够在火星上进行精确定 位和导航”1 1 。 美国加利福尼亚喷气推进实验室，用立体视觉和结构光投射相结合的方法， 研制出主动双目立体视觉系统。在3 0 3 0 e r a 2 的区域内成像精度可以达到0l m m 【l ”， 系统结构示意图如图i2 所示，通过两个反射镜巧妙地把一台摄像机映射成两台虚 拟相机，不仅降低成本，而且具有立体视觉功能。 图l _ 2 主动立体视觉系统图13 双目立体视觉系统 h u m b e r t ol o a i z a 等研制了一套立体视觉系统并实现三维点的重建。他们把两 个小型摄像机呈垂直方式排列构成双目立体视觉系统，如图13 所示。此系统已应 用于空间移动目标的定位与导航。在18 m 的距离内，重建精度可以达到5 c m i l 。 m a r c u ss v e d r a a n 等人提出了一种使用两个非同步摄像机自动完成三维物体重构舶 方法。在他们的系统中，分别从左右摄像机获取两幅图像，然后再次从左摄像机 获取一幅图像，通过在两幅左摄像机获得的图像中内插匹配特征点，从而得到与 右摄像机图像的虚拟同步图像。在3 m 的测量距离内，重建精度可以达到16 c m i i “。 2 0 0 4 年，日本k a g a w a 大学i c s u m i o k a 等人提出了一种新的三维测量系统， 他们把光条纹投射到距离探测器1 2 0 m m 直径为l n l m 的电线上利用双c c d 立体 视觉系统测量电线的直径，精度达到o2 r a m i ”l 。2 0 0 5 年，日本t o h o l o t 大学n a o h i d e 等人使用被动职目立体系统实现了人脸三维面型重构，在5 0 c m 的距离内测量精度 达到06 r a m i i “。 韩国g i - m u n u r n 等人于2 0 0 5 年提出了一种新的3 d 场景重构方法，在他们的 研究中，把立体视觉系统和能探测目标深度信息的相机结合在一起使用，如图1 _ 4 所示，通过融合两幅视差图和深度图像，从而改善了3 d 测量的精度m j 。2 0 0 6 年， 德国s i e g e a 大学传感器系统研究中心在对运动目标探测和聚类分析研究中，分别 使用了双哥立体视觉和光于混频探测器( p m d ) 两种立体测量系统，并比较了两者的 优缺点i 】“。2 0 0 8 年，他们把双目立体视觉和光子混频探测器( p m d ) 两种3 d 传 感系统以直觉的方式结合起来，用在移动机器人运动估计中，提高了运动估计的 第4 页 国防科学技术 学研究生院学位论文 精度，系统结构如图1 5 所示【l q 。 圈16b 岫b l e b e e 2 职目视觉产品圈17s t h - 蛐c s 3 - v a r x 取目视觉产品 国内在职目立体视觉领域的研究虽然较国外起步较晚，但却取得了很大的进 步。哈尔滨工业大学已把立体视觉技术应用于月球车上，将有助于月球车的自主 软着陆，并对月球进行探测口”。西南科技大学把双c c d 同结构光相结合，研制出 一台便携式立体澳4 量仪，实现对机器零部件的检测，在8 0 0 r a m 范围内的测量精度 达到0l m m l 2 4 。浙江大学把双耳立体视觉系统应用在果蔬采摘机器人中，当立体 摄像机与番茄的距离小于1 0 0 0 r a m 时，番茄的距离误差为+ 2 0 r a m ”】。国防科技大 学于起峰等人利用双目摄像机系统测量飞船返回舱的水平速度，取得了令人满意 的结果啡i 。 1 3 论文主要研究内容与思路 本课题就双c c d 交会测量技术应用于激光雷达系统进行三维复合精细成像时 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的一些关键技术问题进行研究。与双c c d 交会测量技术的一般应用不同的是，当 双c c d 交会测量与激光雷达复合时，不仅需要考虑激光雷达对双c c d 的约束， 而且需要精确标定出双c c d 与激光雷达的相互位置关系。标定的准确程度对整体 测量精度影响较大，所以应尽可能提高标定精度。由于c c d 摄像机和激光雷达的 成像原理完全不同，无法采用常规的c c d 标定方法，因此，论文重点解决三维精 细成像系统中单、双c c d 的精确标定以及双c c d 坐标系与成像激光雷达坐标系 的精确标定问题。论文从双c c d 交会测量数学模型出发，通过对测量误差进行分 析仿真，得出了影响测量精度的主要因素，在此基础上建立了双c c d 交会测量系 统结构参数优化设计算法，进而确定了满足实际指标要求的双c c d 结构参数。针 对c c d 与激光雷达坐标系位置关系标定精度不高的问题，论文在现有标定算法的 基础上，作了一定改进，使之满足系统对标定精度的要求。最后对整套系统进行 了三维重建实验，并对重建误差进行了分析。 论文各章节安排如下： 第一章绪论主要介绍双c c d 交会测量技术及其国内外发展现状。 第二章首先介绍摄像机成像模型，在此基础上建立双c c d 交会测量的数学模 型，并对测量精度进行仿真分析，得到测量精度与系统结构参数的关系，为器件 选型及双c c d 交会测量系统搭建提供理论依据。 第三章主要讨论三维成像激光雷达与双c c d 视场之间的约束关系，并对系统 结构参数进行了优化设计，进而确定了双c c d 交会测量系统的结构配置。 第四章讨论了双c c d 交会测量系统的全局标定方法，并针对本系统对标定精 度的要求，在现有摄像机和激光雷达标定算法的基础上作了一定改进，对改进后 的标定算法进行了标定精度分析，给出了双c c d 坐标系与成像激光雷达坐标系之 间的标定方法。最后对双c c d 交会测量中的同名点进行了初步匹配。 第五章对双c c d 交会测量系统进行了三维重建实验，分析了系统误差。 最后对全文进行了总结，指出论文存在的不足并提出改进意见。 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章双c c d 交会测量理论模型 2 1 摄像机成像模型 计算机视觉界中应用最广泛的摄像机模型是针孔模型，很多视觉测量技术都 是建立在针孔成像模型的基础之上。为了定量地描述摄像机成像过程，首先定义 以下坐标系。 2 1 1 常用坐标系及其变换关系 2 r l 2 a l 摄像测量常用坐标系般采用右手准则来定义。图2 1 表示了三个不同层次的 坐标系统：世界坐标系、摄像机坐标系、图像坐标系。 ： 17 孑t 琳 亿t ， 第7 页 ， p ， 舷， 一。羚 ， ， 国防科学技术大学研究生院学位论文 为摄像机光心，五轴与摄像机光轴重合，且取摄像方向为正向，五，z 轴与图像 物理坐标系的毛y 轴平行。图2 1 中，j 平面为实际成像靶面，厂为中心透视投影 焦距。假设空间一点尸在摄像机坐标系下的坐标为( 五，e ，乙) ，成像于摄像机的光 敏面上，其像点物理坐标为( 工，y ) ，则摄像机坐标系到图像物理坐标系的转换关系 为 泪 x t 【 z c 1 ( 2 2 ) 3 世界坐标系职硒z 世界坐标系也称作全局坐标系，它是用户任意定义的三维空间坐标系，通常 是将被测物体和摄像机作为一个整体来考虑的坐标系。为了使用方便，此坐标系 的建立较多地考虑应用环境和对象条件。空间点p 的位置通常用其在世界坐标系 中的坐标乙) 来描述。 摄像机坐标系与世界坐标系之间的关系可以用旋转矩阵r 和平移矩阵t 来描 述，设空间一点尸在世界坐标系和摄像机坐标系下的齐次坐标分别为( l ，匕，乙，1 ) 和，e ，z c ，1 ) ，则它们之间的关系可以表示为 x c 艺 z c l = 醐 2 1 2 摄像机理想成像模型 x 。 匕 乙 1 = m l x 。 l z 。 l ( 2 3 ) 摄像机的理想成像模型是基于针孔成像原理而得出的，空间任何一点p 在图 像上的投影位置p ，为光心c 与尸点的连线c r 尸与图像平面的交点。这种关系也称 为中心投影或透视投影【碉。由式( 2 1 ) ( 2 3 ) ，得到世界坐标系表示的户点坐标与 其投影点p 的坐标 ，) 的关系为 乙瞄 = 以嘭u v o o 到m ， x 。 l z w l = m 2 m l x 。 匕 乙 1 ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 就是摄像机的理想成像模型公式，它表示了空间景物与其在图像平面上 成像间的投影变换关系。 第8 页 o厂o ，o 0 。l = 1，j 工 y 1 。l 乙 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 3 摄像机成像畸变模型9 】 由于实际成像过程中存在非线性畸变，使实际成像位置与理想像点存在偏差， 因此必须对其进行校正，才能应用于线性模型。非线性模型可以用式( 2 5 ) 表示 髓u t = v u + + 戌万u 黝 其中，似，y ) 为理想像点像素坐标， 1 ，) 为实际像点坐标，瓯0 ，v ) ，瓯( “，v ) 是与坐 标位置有关的非线性畸变值。为了校正图像畸变，需要分析各种畸变模型及其对 图像坐标的影响。一般成像过程中主要存在以下三种畸变：径向畸变、偏心畸变 和薄棱镜畸变。 1 径向畸变 径向畸变主要是由透镜组件的径向弯曲造成的，结果使得实际图像位置相对 理想位置发生偏移。径向畸变模型可以表示为 屯= 毛“( 甜2 + v 2 ) + d f ( “，1 ，) 5 ：白v 似：+ 伊) + d & “，v ) 5 i 2 6 2 偏心畸变 实际的光学系统，其透镜组件的光心并不是严格共线的，总会存在一定的偏 差，这种偏差称为偏心畸变。偏心畸变包括径向和切向两种情况，其数学描述用 式( 2 7 ) 表示 屯= p l ( 3 u 2 + v 2 ) + 2 p 2 u v + o i 似，) 4l 屯吻。删+ p 2 ( 3 v 2 ) + d 西j 亿乃 3 薄棱镜畸变 在透镜设计制造以及摄像机装配过程中，总会存在一定的缺陷，从而产生了 薄棱镜畸变。与径向和偏心畸变不同的是，薄棱镜畸变可以通过调节摄像机光学 系统的薄棱镜进行校正，但同时会引入径向和切向畸变。薄棱镜畸变的模型可以 描述为 篡- - s z ( u 蒜搿j 2 + 1 ，2 ) + d l ( 州) 4i 、 摄像机的总畸变由以上三种畸变组成。 一般情况下，只考虑径向畸变和切向畸变的前两阶系数，就足以描述摄像机 成像的畸变情况，考虑太多的畸变，不但不能提高最终的测量精度，反而会摄像 机标定数值不稳定【矧。因此，摄像机的实际成像校正模型为 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 葛：嚣2 嚣嚣+ 帼2 p 并= ，+ 2 3 p v 彳 屹= 1 ，+ 墨v 2 + v 2 ) + 岛v 2 + 1 ，2 ) 2i 洲+ 见 2 2 ) 、“ ( 2 9 ) 式即是摄像机的实际成像模型，根据此式可以对摄像机的实际畸变图像进行校 正。 2 2 双c c d 交会测量基本原理 双c c d 交会测量系统是基于三角法测量原理进行测量的，已知空间同一景物 在左右c c d 图像平面上的投影点像素坐标，根据摄像机的理想成像模型，利用三 角几何知识，便可以求解出空间景物的位置坐标。为了分析测量系统的精度，首 先建立双c c d 交会测量的数学模型。 2 2 1 双c c d 交会测量数学模型【3 1 j