翻译：基于结构光原理的高精度三维重建视觉系统.doc

引言 结构光是目前三维从建技术的主要技术手段。它的最基本形式是由一个投影仪和一个摄像机组成，这两种设备都是普通的家用电器。它实际上就是利用从投影仪到目标物的照度编码，这些编码能够在投影仪的模型产生平面和摄像机的成像平面之间建立对应的景象背影。这种照度编码不仅是三位重建技术在目标物上的本质要求，而且也避免了在通信系统中经常遇到的像立体视觉这样的视觉方法上的困难。 时空编码方案是照度重建和摄像机摄取图像的两个主要途径。这两种方案在投影仪的模型产生平面上的每个位置都有相同的目的。用这已保存的唯一的代码，在投影仪和摄像机之间很容易建立对应的关系，并且通过已知的三角化过程可以容易的重建相关联的场景深度。更确切的说，在这种时间编码方案中，一系列的模式在不通的时间被投射到目标物表面。对于相机上图像平面任意给定的像素代码都是取决于随时间变化的投影仪的光照度像素。换句话说，是位码在时间上的多路复用。SLS系统采用这种编码方案可以达到很高的数据密度和测量精度。格雷码就是时间编码方案的一个例子，它结合了相移和线性位移方法。在空间编码方案中，代码创建于空间模式而不是时间模式。这种代码可以是灰度窗口或是彩色窗口。这种方案对目标物的表面反射率的变化和纹理特征是非常敏感的。和时间编码方案相比较，这会引起更大的测量误差，特别是在有严重遮挡或颜色失真的情况下。然而，空间编码方案的优点是它的编码和译码过程可以由静态单一影像来完成。因此它特别适应于动态应用。德Bruijn和M阵列这两种特殊方法得到广泛应用。 无论采用哪种编码方案，对摄像机和投影仪的标定在SLS系统中是最基本也是最关键的一步。为了精确的深度恢复需要对摄像机和投影仪需要进行精确的标定。本文利用一个LCD面板标定平面演示标定方法，具体的说，这种设计利用在LCD面板上显示的模式来标定摄像机，这种模式从投影仪投射到摄像机上用来标定投影仪。LCD屏很容易在商场上买的到，它们大都用在电脑显示器上。我们将用大量的实验结果证明，与传统的古典的标定系统相比较，这种标定设计允许一个“现有”——一个由houshold-quality投影仪和摄像机再加上一个LCD屏——用更少的image-captures而被更精确的标定，换句话说，这种标定过程廉价可靠的并且方便操作。 这种标定设计已经被部分报道，本文的重点是一个现成的SLS可以达到什么质量的标定设计。基于格雷码的三维重建的一种编码方案被应用于这项工作。在传统的格雷码机制中，用格雷码编码的带状模式将第一个被投射到屏幕上。然而，一些格雷码有周期性的模糊，这些模糊是一些图像空间分区里有相同的格雷码。为了消除这样的分区，在我们的操作中当横向转移出现在投影仪模式产生平面，带状模式最好时期的一半的格雷码模式被照亮。每一个图像的带状边缘，则是位于图像素精度。在摄像机的图像平面和投影仪的模式产生平面的带状边缘点一对一的两个平面可以被确立，并且上面的模糊也被解决。与其他格雷码的基础模式相比较，带状转换模式可以达到更好的精度和目标表面纹理不敏感度。 本文主要内容如下，第二章，使用LCD面板投影仪-摄像机系统的标定方法。第三章提出了带状转换模式的格雷码编码系统。第四章展示了大量实验结果来评价标定和重建性能。第五部分提供未来可能出现的成果。 2 带有LCD板的投影仪-摄像机系统的标定 在一些文献中投影仪或投影仪-摄像机系统的标定比摄像机的标定简单的多。在这些文献中，这些方法的区别主要是标定模式的选择。他们通常按以下的方式进行操作。把已知的三维尺寸的印刷图案作为标定校准物体。在这定义了一个标定的世界坐标系。印刷图案是第一个被摄像机成像。三维模型在图像数据和对应的二维投影位置决定了相机的位置和在W坐标系中的位置。这样相机标定后就可进行投影仪标定。投影仪把另外一种模式投射到标定对象，作为一个投影屏幕，形成一个投影照明模式。用照相机拍下这些照明模式，当相机被标定以后，从它上面的投影模式在标定物体下照明模式就能在三维空间下确定。这样一来，如果把投影仪看成一个相机，以及把它的模式产生平面的二维特征看做模式下的图像特征。投影仪能像模式的三维体相机一样被标定。相机和投影仪在三维W坐标系下被标定以后，这样两种工具的位置就能被联系起来并且SLS系统就能被标定。 首先标定相机，然后用相机标定结果去标定投影仪。这种标定顺序非常实用和方便，这种简单和方便所付出的代价就是相机标定所带来的误差将传递给投影仪的标定，并且这些误差是不可避免的。 然而这种方案的不足或不便也有可改进之处，使用三维标定物体的外部标准可达到更高的标定精度，但这种精度取决于标定目标的精度大小和具体的制造标定对象的平整度，印刷标记的精确度以及连接标定对象输出的好坏，都会大大影响最终的标定精度。此外，作为一次标定过程的标定对象上的印刷模式和照明模式