發(fā)布時間：2017-05-18 04:01

  本文關鍵詞：基于近場照明的光度立體視覺算法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：光度立體視覺算法(Photometric stereo,簡稱PS算法)是三維掃描技術中一種重要研究方法,同時也是計算機視覺領域中的主要研究方向�；诠舛攘Ⅲw視覺算法的重建系統(tǒng)結構簡單,成本低廉,可獲取高精度重建表面信息,為此受到學術界和工業(yè)界廣泛的關注與研究。物體表面光源信息及圖像亮度信息是影響光度立體視覺算法所得表面法向精度的重要因素。在結構緊湊,光源工作空間有限的重建系統(tǒng)中,光線空間分布較為復雜,使得物體表面各點光源信息獲取變得十分困難。除此之外,用于求解表面法向的圖像信息通常為滿足某種光源模型假設的亮度分布,這與實際獲取的圖像亮度分布存在一定差距。以上因素導致求得的物體表面法向方向存在一定誤差。為實現(xiàn)在近場光源照明條件下得到接近真實表面深度信息的重建結果,本文對光源信息獲取及圖像亮度校正過程進行了深入而細致地研究,提出了一系列有效的創(chuàng)新與改進算法。 本文首先對光度立體視覺算法的研究內容,研究趨勢以及成果和應用進行了詳解介紹。并針對當前研究的難點問題,確定了本文主要研究內容。 本文詳細論述了光度立體視覺算法的實現(xiàn)過程,作為驗證算法的軟件及硬件平臺基礎,對重建系統(tǒng)及標定過程進行了詳細描述。 在光度立體視覺算法中,光照模型不僅用于求解法向信息,同時可用于光源信息標定,光照模型對物體表面特性描述的準確程度,對光源信息標定精度有著十分重要的影響。為此,本文基于光度學及輻射度學概念推導得出了一般性光照模型,結合光源光學和結構特性提出了基于光源特性的雙朗伯光照模型。通過實驗對比表明,所提模型較朗伯模型更接近真實物體表面反射特性。 本文稱將光源抽象為具有某種形狀幾何體的泛光源的標定算法為理想光源標定。理想光源根據(jù)位置和形狀的不同,主要分為無窮遠點光源,近點光源及面光源。針對近場照明系統(tǒng)應用,本文比較了不同光源模型對重建結果的影響,為選取合適的光源模型提供了理論與實驗依據(jù)。對現(xiàn)有基于面光源的光度立體視覺算法進行了擴展,實現(xiàn)了基于任意形狀面光源的重建算法。 現(xiàn)有的理想近點光源標定方法單純依賴光線空間幾何關系或既定的光照模型,忽略了特定光源發(fā)光特性的影響,導致配置在同一位置的不同特性光源的標定結果有所差別。為此,基于雙朗伯光照模型,本文提出了三種基于光源特性的標定算法。實驗結果表明,本文所提算法與現(xiàn)有算法相比,所獲光源信息更加準確,并可有效改善重建結果。 光源標定過程通常較為復雜,尤其對于利用圖像信息的模型擬合算法而言,標定過程往往需要反復迭代優(yōu)化,這使得整個標定過程變得十分耗時。另外,在標定過程中由于各種因素的干擾,標定結果常具有不確定性。針對以上情況,本文提出了基于近點光源的快速標定算法,僅利用光源所對應的單一圖像即可完成光源位置的快速準確估計。通過實驗證明,該算法既可實現(xiàn)光源標定過程的實時性,同時又具備較高的標定精度。 由于光源制造工藝誤差,光學器件安裝、控制環(huán)節(jié)偏差,光學材料光譜響應變化,以及光源篩選過程隨意性,導致重建系統(tǒng)中各光源強度空間分布存在一定差別,導致圖像亮度分布不一致,最終影響了重建結果的精度�，F(xiàn)有光源強度校正算法大都針對平行光線模型假設,而對近點光源模型下的校正問題研究甚少,鑒于該種情況,本文提出了基于近點光源的強度補償算法,實現(xiàn)了對圖像亮度信息的校正。實驗結果證明,該算法可有效補償光源強度,改善重建結果。
【關鍵詞】：三維掃描 光度立體視覺 光源標定 近場光源 光照模型 表面法向量
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 本文使用的英文縮寫與中英文對照表12-13
• 1 緒論13-28
• 1.1 研究背景13-17
• 1.2 研究現(xiàn)狀和進展17-24
• 1.3 研究的困難和挑戰(zhàn)24-26
• 1.4 論文課題來源與內容安排26-28
• 2 光度立體視覺算法原理及重建系統(tǒng)28-54
• 2.1 引言28-29
• 2.2 光度立體視覺算法原理29-35
• 2.3 基于PS算法的重建系統(tǒng)35-41
• 2.4 三維重建系統(tǒng)標定41-51
• 2.5 實驗結果51-53
• 2.6 小結53-54
• 3 基于光源特性的雙朗伯光照模型54-71
• 3.1 引言54-55
• 3.2 輻射度和光度學基礎55-57
• 3.3 理想光照模型57-61
• 3.4 基于光源特性的雙朗伯光照模型61-66
• 3.5 實驗結果66-70
• 3.6 小結70-71
• 4 基于理想光源假設的光源信息標定71-93
• 4.1 引言71-72
• 4.2 光源標定算法綜述72-73
• 4.3 無窮遠點光源標定算法73-75
• 4.4 近場光源標定算法75-87
• 4.5 實驗結果87-92
• 4.6 小結92-93
• 5 基于光源特性的光源信息標定93-123
• 5.1 引言93
• 5.2 基于光源特性的標定算法93-110
• 5.3 實驗結果110-121
• 5.4 小結121-123
• 6 基于近點光源的光源強度校正算法123-134
• 6.1 引言123-124
• 6.2 光源強度校正算法124-128
• 6.3 實驗結果128-133
• 6.4 小結133-134
• 7 全文總結與研究展望134-137
• 7.1 全文總結134-136
• 7.2 研究展望136-137
• 致謝137-139
• 參考文獻139-150
• 附錄1 攻讀博士學位期間發(fā)表的主要論文150-151
• 附錄2 公開發(fā)表的學術論文與博士學位論文之間的關系151

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