（计算机应用技术专业论文）基于标记约束的三维曲面拼接方法研究.pdf

浙江理工大学学位论文版权使用授权书 舢i i 舢i i i i y 17 4 7 2 6 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。 本人授权浙江理工大学可以将本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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密囹 。 学位做作者躲喻囊誓言、 日期：沙汩年呤月7 刀日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名 日期：沙加年毕月沙日 浙江理工大学硕士学位论文 摘要 大型物体数字化采用视觉测量的手段来实现，为获得较高的测量精度，往往 需要分块测量，利用三维曲面拼接技术将区域数据进行整合拼接，实现物体整体 形貌测量。测量回转体时，因回转体各部分相互遮挡，从任何测量角度都无法实 现一次完成整个回转体的三维测量工作。因此，三维曲面拼接技术是实现物体形 貌测量的关键技术。 本课题组前期工作提出了基于符号m 阵列结构光的三维检测方法，实现了二 值光源投射下动态场景的检测与三维重建。为了将该三维检测方法应用于三维拼 接，本文对三维拼接方法进行研究。同时为满足对不具有明显表面特征、不宜采 用自由拼接的物体的测量和拼接，本文提出了一种基于标记约束的三维曲面拼接 方法。该方法在检测对象上设置l 组标记，通过提取标记，获得标记的图像坐标， 进而求解标记的世界坐标，由标记的世界坐标解出变换矩阵，实现两个三维曲面 的拼接。本文主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 改进三维标定和检测方法。为提高前期三维检测方法的精度，本文首 先对三维检测方法进行改进。通过对标定数据的正确性进行检查，采用去极值求 均值法矫正异常标定数据，解决因标定数据误差造成重建曲面噪声的问题。针对 解码符号误匹配现象，提出窗口扩展匹配法，采用3 x 3 窗口，降低因符号误识别 破坏窗口唯一性的可能性，有效地解决符号误匹配问题。研究了适合面结构光三 维检测重建曲面的平滑方法，根据检测对象表面平缓的特征，过滤曲率较大的尖 锐噪声点，解决重建曲面上较大噪声无法平滑的问题，为后续拼接工作奠定基础。 ( 2 ) 标记提取和匹配方法研究。考虑到标记在三维拼接中起决定性作用， 为了确保标记被正确识别，研究了通过黄金分割搜索阈值方法对标记图像进行合 理的阈值分割，通过扫描标记的白色连通域及其包含的黑色内连通域识别标记， 该方法稳定性强。通过与提取出的标记图像坐标邻近的关键点世界坐标，按标记 与这些关键点间图像距离比例进行估计标记的世界坐标。标记设置制约着标记匹 配和变换矩阵求解，本文从便于标记匹配角度研究标记设置方法，且兼顾变换矩 阵求解，使得标记匹配和变换矩阵求解工作变得容易。 浙江理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 拼接方法研究。介绍变换矩阵求解过程，通过变换矩阵将待拼接曲面 坐标系统- - n 参考曲面坐标系上。研究了在参考曲面坐标系下提取两个曲面的公 共区域方法。并根据公共区域内检测点的世界坐标，提出了评判两个曲面是否配 准方法。针对曲面未配准情况，研究了估计两个曲面夹角和位移的方法，通过多 次对待拼接曲面旋转和平移，最终实现两曲面近似配准。 ( 4 ) + 三维曲面拼接实验。进行曲面拼接实验，并对实验结果及误差进行分 析。 一一一 关键词：三维；拼接；标记：约束；平滑 i i 浙江理：l = 大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a lm o r p h o l o g yo fl a r g eo b j e c t sa n d c l o s e ds u r f a c ec a nb er e a l i z e db ym e a n s o fv i s i o nm e a s u r e m e n t , a n di to f t e nn e e d st ob l o c km e a s u r e m e n t , t h er e g i o n a ld a t ai s i n t e g r a t e db yu s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a li m a g em o s a i ct e c h n i q u e ，r e a l i z i n gt h eo v e r a l l m o r p h o l o g ym e a s u r e m e n to fo b j e c t s t h e r e f o r e ，t h et h r e e d i m e n s i o n a li m a g em o s a i c t e c h n i q u ei sak e yt e c h n o l o g yt or e a l i z et h eo b j e c tm o r p h o l o g ym e a s u r e m e n t a c c o r d i n gt ow h e t h e rt h e r eh a v ec o n s t r a i n t s ，i m a g em o s a i ct e c h n i q u ec a l lb e d i v i d e di n t of r e em o s a i ca n dc o n s t r a i n t - b a s e dm o s a i c f r e em o s a i ce x t r a c t st h e c h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o nt or e a l i z et h ei m a g em o s a i ct h r o u g ht h ec o m m o np a r to ft h e a d j a c e n td e t e c t i o na r e a , s u i t a b l ef o rc h e c k i n gt h eo b v i o u sc h a r a c t e r i s t i c so b j e c t sd u e t oi t sf l e x i b l e h o w e v e r , s e v e r a lt i m e so fm o s a i cp r o n et oc a u s ec u m u l a t i v ee r r o r s c o n s t r a i n t - b a s e dm o s a i cc a nb ed i v i d e di n t os e n s o rl o c a t i o nc o n s t r a i n ta n di m a g e c o n t r o lp o 血c o n s t r a i n ta c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tw a y so fc o n s t r a i n t t h es e n s o r v i e w st h eo b j e c tf r o mad i f f e r e n tp e r s p e c t i v e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt w oa d j a c e n t s e n s o r s l o c a t i o ni sk n o w n ，t h i sa p p r o a c ho f t e nr e q u i r e sa n c i l l a r ye q u i p m e n tt o c a l i b r a t et h er e l a t i o n s h i po fs e n s o rl o c a t i o n , a n dt h eo p e r a t i o ni sm o r ec o m p l i c a t e d i m a g ec o n t r o lp o i n tc o n s t r a i n tc a nr e a l i z et h ei n t e g r a t i o no fi m a g ed a t ab yu s i n gt h e t a gi n f o r m a t i o n ，w h i c hw a sa d d e dt ot h em e a s u r e m e n to b j e c t , i tj u s td e p e n d so nt h e t a gi n f o r m a t i o nt oc a r r yo u tt h es p a c ei m a g em o s a i c ，b u tt h e e x t r a c t i o no ft a g i n f o r m a t i o ni sv e r yc o m p l e x ，a n dt h em o s a i ce r r o r sa r el a r g e r , s oi t ss u i t a b l ef o r a p p l i c a t i o n so f l e s sd e m a n d i n gt ot h em o s a i ca c c u r a c y a saf o u n d a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a li m a g em o s a i ct e c h n i q u e ，t h ea c c u r a c ya n d r o b u s t n e s so ft h et h r e e d i m e n s i o n a ld e t e c t i o nr e s t r i c t st h ep r e c i s i o na n ds u c c e s sr a t e o ft h et h r e e d i m e n s i o n a lm o s a i c n et h r e e d i m e n s i o n a ld e t e c t i o nm e t h o db a s e do n t h es t r u c t u r el i g h to fs y m b o l sm a r r a yw a sp u tf o r w a r db yt h er e s e a r c hg r o u p ，t h e d e t e c t i o no fd y n a m i cs c e n ea n dt h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o nw a sr e a l i z e du n d e r t h ep r o j e c t i o no fb i n a r yl i g h t t h i sm e t h o di su s e di nc e r t a i no c c a s i o n s ，i tc a nm e a s u r e i i i 浙江理工人学硕士学位论文 t h eo b j e c tf o ras i n g l ec o l o r , a n dt h es u r f a c ec u r v a t u r em u s ts m a l l ，t h ea n g l ea m o n g t h ed e t e c t i o no b j e c t s ，t h ep r o j e c t i o nd e v i c e sa n dc c dm u s ts m a l l ，a n dt h el i g h tm u s t w e a k d u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e t e c t i o no b j e c t s ，w h i c hh a v et h es m a l ls u r f a c e c u r v a t u r e ，f r e em o s a i ci sn o ts u i t a b l e s u b j e c tt ot h et h r e e d i m e n s i o n a ld e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h es 仃u c t u r el i g h to f s y m b o l sma r r a yt h a tw a sp u tf o r w a r db yt h er e s e a r c hg r o u p ，an o v e la p p r o a c hf o r t h r e e d i m e n s i o n a li m a g em o s a i cb a s e do nt h em a r kc o n s t r a i n ti sp u tf o r w a r di nt h i s p a p e r , w h i c hi sb a s e do nt h ei m p r o v e m e n t so ft h r e e - d i m e n s i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d t h em e t h o di ss e tag r o u po fm a r k e r so nt h ed e t e c t i v eo b j e c ti no r d e rt og e tt h e m a r k e di m a g ec o o r d i n a t et h r o u g he x t r a c t i n gt h em a r k e r s ，a n dt h e nt h em a r k e dw o r l d c o o r d i n a t ec a nb eg o t , t h et r a n s f o r m a t i o nm a t r i xc a nb es o l v e db yt h ew o r l d c o o r d i n a t e so fm a r k e r s ，a n dt h e nt h et h r e e - d i m e n s i o n a li m a g em o s a i cc a nb er e a l i z e d t h i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： ( i ) i m p r o v et h et h r e e d i m e n s i o n a ld e t e c t i o nm e t h o d t h ec o r r e c t n e s so ft h e c a l i b r a t i o nd a t ai si n s p e c t e d ，a n dt h ec o r r e c t i o nc a l i b r a t i o nd a t am e t h o di sp r o p o s e d t h ew i n d o w i n ge x t e n s i o nm a t c h i n gm e t h o di sp r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ep h e n o m e n o n o ft h ed e c o d i n gs y m b o lm i s m a t c h ，w h i c he f f e c t i v e l ys o l v e st h ep r o b l e mo fs y m b o l m i s m a t c h i n g as m o o t hm e t h o dw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h er e c o n s t r u c t i o ns u r f a c e so f 咖c 1 ：u r e dl i g h tt h r e e - d i m e n s i o n a ld e t e c t i o ni ss t u d i e d ，a n dt h ep r o b l e mo fl a r g eb u r r c a nn o tb es m o o t hi nt h er e c o n s t r u c t i o ns u r f a c e si ss o l v e d ，s oh a sl a i dt h ef o u n d a t i o n f o rt h ef o l l o w i n gm o s a i cw o r k ( 2 ) s t u d yo nm a r k e re x t r a c t i o na n dm a t c h i n gm e t h o d c o n s i d e r i n gt h em a r k e r p l a y sad e c i s i v er o l ei nt h r e e - d i m e n s i o n a lm o s a i c ，t h em a r k e re x t r a c t i o nt h r o u g ht h e g o l d e ns e c t i o nm e t h o d st os e a r c ht h r e s h o l di ss t u d i e di no r d e rt oe n s u r et h e r ei sn o m a r k e rl o s s a l t h o u g ht h i sm e t h o d se f f i c i e n c yi sn o th i g h ，i t sv e r ys t a b l e t h ew o r l d c o o r d i n a t e so ft h em a r k e r sc a nb es o l v e dt h r o u g ht h ee x t r a c t e dm a r k e r si m a g e c o o r d i n a t e s m a r k e rs e t t i n gr e s t r i c t sm a r k e rm a t c h i n ga n dt h et r a n s f o r m a t i o nm a t r i x s o l u t i o n ，m a r k e rs e t t i n gi ss t u d i e df r o mt h ep o i n to fv i e wo fs y m b o lm a t c h i n g ，a n dt h e t r a i l s f o r m a t i o nm a t r i xs o l u t i o ni sa l s oc o n s i d e r e d ( 3 ) s t u d yo nm o s a i cm e t h o d t h es o l v i n gp r o c e s so ft r a n s f o r m a t i o nm a t r i xi s w 浙江理工大学硕士学位论文 i n t r o d u c e d ；t h ec o o r d i n a t es y s t e mo ft h em o s a i ci m a g ei si n t e g r a t e di n t ot h er e f e r e n c e i m a g ec o o r d i n a t es y s t e mt h r o u g ht h et r a n s f o r m a t i o nm a t r i x t h em e t h o do fe x t r a c tt h e c o m m o nr e g i o no ft w oi m a g e su n d e rt h er e f e r e n c ei m a g ec o o r d i n a t ei ss t u d i e d w h e t h e rt h et w o i m a g e sr e g i s t r a t i o ni sp r o p o s e da c c o r d i n g t ot h ew o r l dc o o r d i n a t e so f t h ed e t e c t i v ep o i n t si nt h ec o m m o nr e g i o n a c c o r d i n gt ot h ei m a g ew i t h o u t r e g i s t r a t i o n ，t h em e t h o do fc a l c u l a t e st h ea n g l ea n dd i s p l a c e m e n tb e t w e e nt w oi m a g e s i ss t u d i e d ；t h et w oi m a g e s r e g i s t r a t i o nw a sf i n a l l yr e a l i z e dt h r o u g ht h er o t a t i o na n d t r a n s l a t i o no ft h em o s a i ci m a g em a n yt i m e s ( 4 ) t h ee x p e r i m e n t o ft h r e e d i m e n s i o n a l i m a g em o s a i c i m a g em o s a i c e x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u t ，a n dt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ta n dt h ee r r o r sw e r e a n a l y z e d k e y w o r d s ：t h r e e d i m e n s i o n a l ；m o s a i c ；m a r k ；c o n s t r a i n t ；s m o o t h v 浙江理工大学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i i 目录v i 第一章绪论l 1 1 研究背景及意义1 1 2 三维拼接技术概述4 1 3 三维曲面拼接技术研究现状一5 1 4 课题组前期工作9 1 4 1 前期工作的成果一9 1 4 2 前期工作的不足1 0 1 5 论文研究目标及内容1 l 1 5 1 研究e l 标1l 1 5 2 研究内容1 1 1 5 3 主要创新点1 2 1 6 本章小结1 2 第二章三维检测方法改进1 3 2 1 矫正标定数据1 3 2 1 1 标定数据误差来源分析1 4 2 1 2 矫正标定数据的算法1 7 2 2 窗口扩展匹配法1 9 2 3 二次插值曲面平滑方法研究2 1 2 4 本章小结2 4 第三章标记检测方法的研究。2 5 3 1标记数量2 5 3 2 标记尺寸2 6 3 3 标记识别2 9 3 3 1标记图像预处理2 9 3 3 2 标记连通域扫描3 3 3 3 3 识别方法3 4 3 3 4 标记图像坐标提取3 5 3 4 标记设置与匹配3 8 3 4 1 标记设置3 8 3 4 2 标记匹配3 9 3 5 获取标记世界坐标4 2 3 5 1 邻近检测点搜索4 2 3 5 2 标记世界坐标的获取4 3 3 6 本章小结4 4 第四章拼接方法的研究。4 6 4 1 变换矩阵的求解4 6 4 2 公共区域提取4 7 4 3 配准评判4 8 4 4 待拼接曲面调整4 9 4 5 拼缝平滑5l 4 6 本章小结5 2 第五章三维拼接实验5 4 5 1 三维拼接实验5 4 5 2 误差分析5 8 5 3 本章小结5 8 第六章结论与展望5 9 6 1结j 沦5 9 6 2 展望6 0 参考文献6 l 致谢6 6 攻读硕士学位期间发表及录用的论文6 7 附录i 标记白色连通域图像坐标( 部分) _ 6 8 v l i 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 工业的发展不但提出测量对象多样化要求，而且对测量手段提出了更高的要 求。传统的测量方法无法胜任对大型物体和回转体的测量，使得基于视觉的三维 形貌非接触测量方法技术成为近年来测量技术的研究热点。测量大型物体，由于 测量设备的测量范围有限，无法一次完成对整个测量对象的精确测量。测量回转 体，因物体表面互相的遮挡，选择任何测量角度都不能通过一次测量获得物体的 三维形貌。人们很自然地想到把测量物体划分成多个部分进行多次测量，然后将 每个部分的三维数据拼接融合到一起，构成完整检测物体的三维数据模型，这种 分块测量技术便逐步发展为三维拼接技术。三维拼接技术是三维形貌测量的核心 技术，测量设备和方法的精度制约着拼接精度和应用场合。 三维形貌测量技术在逆向工程、虚拟现实、工业检测、考古等领域中发挥越 来越重要的作用： 1 逆向工程 逆向工程是对现有的产品或模型用三维形貌测量技术获取其三维形貌数据， 计算机直接生成加工用的数字化数据，并通过计算机接口控制数控机床或加工中 心加工出产品。逆向工程的体系结构由三维外形轮廓测量、三维重构及快速制造 三部分组成，准确、快速、完整地获取实物的三维外形轮廓数据，即对物体的几 何形面进行三维离散数字化处理，是实现逆向工程的关键步骤之一。目前，涉及 的应用领域有：汽车、飞机、船舶、服装及鞋楦加工、假牙和骨骼三维数据等1 1 。 2 虚拟现实 在游戏开发、动画制作中，利用各种三维形貌测量手段来获取真实世界的各 种三维数据，可以提高游戏的开发速度并简化流程，同时使得计算机虚拟现实环 境变得更加容易。 3 工业检测 利用三维形貌测量技术获取工业产品的三维数据，与标准工业产品的三维数 据比较，计算出误差，从而确定产品有无缺陷，是否合格。 l 浙江理_ 1 = 大学硕士学位论文 4 考古 易碎的古文物如瓷器、陶罐由于年代久远，在流传和挖掘过程中难免会破成 碎片，基于形状匹配的拼接技术广泛应用于考古等领域。破碎物体的复原是将形 状匹配的相邻碎片拼接以使破碎物体恢复原貌。 长期以来人们对三维形貌测量进行了大量的研究并提出了各种各样的方法， 常见的三维形貌测量方法及分类t 2 如图1 1 所示。 二i 维嘭搋潮醚矗；点 接触式测醚il 咐受簸j l = 涮翠 旦 们 暮 n 曹 譬 莛 体 栏 髭 多 溯 照 段 综 螽 运 j ；j 图i i 常见的三维形貌测量方法和分类 一、接触式测量 坐标测量机 3 1 - 4 1 作为接触式测量的典型代表，由于其测量精度高、测量范围 大，可以测量复杂的表面，在工业中得到广泛应用。但是三坐标测量机价格昂贵， 采用接触式逐点测量，测量速度慢、柔性差，不适合测量软质工件，对工作环境 要求苛刻等，这些不足限制了它在快速三维数据测量领域中的应用。 机械测量臂也是多年来不断发展的三维测量技术，如f a r o 公司研制的机械 测量可以测量飞机发动机、卫星天线及汽车等产品上的大型复杂表面。它由人牵 引装有探针的机械臂在物体表面滑动、扫描，得到被测物体的三维坐标，克服了 三维坐标测量机械控制复杂的缺点，且装置简化、结构轻巧，但测量速度还不能 满足快速测量的要求。 机械接触式测量技术已非常成熟，但这类方法要求必须与实物接触，因而不 适合柔软物体的测量，且对探头不能触及的表面无法测量；另外，它的扫描数字 化速度受到机械限制，速度较慢，影响了测量效率，同时昂贵的价格也限制了其 2 浙江理j 二大学硕士学位论文 应用范围。 二、非接触式测量 非接触式测量技术是近年研究热点和发展方向，国内外许多学者都进行了研 究。三维检测中一类重要的方法是利用声纳、雷达【5 】- 【引、激光束 9 1 【1 4 1 等硬件系统 实现三维检测。虽然该类检测技术已取得了重大进步，但仍然不像我们所希望的 那样完美。基于声纳或雷达的检测系统在开阔区域内对障碍物的检测是可靠和有 效的，但在一个小的封闭区域中，尤其在室内环境，来自周围结构的回声可能比 从物体本身反射的强的多，此时很难达到有效的测量；同时基于声纳或雷达的检 测系统只能测量出物体的大致距离或尺寸，难以解决诸如描绘物体或场景的精确 形状问题。激光测距一般也是基于飞行时间的原理进行测量的，受益于激光和红 外线装置的快速发展，最近也已取得巨大进步，但使用激光测距仪扫描周围环境 来获得空间深度信息是件非常费时的事情，影响系统的实时性。总的说来，从精 确性及时间开销考虑，此类硬件检测系统目前仍达不到我们对三维检测的要求。 三维检测中的另一类方法是机器视觉，是研究用计算机来模拟外显或宏观视 觉功能的科学和技术，其研究目标是利用图像创建或恢复现实世界模型、认知现 实世界。机器视觉通常可分为单目视觉、双目立体视觉、多目立体视觉和基于结 构光的主动立体视觉。 ( 1 ) 单目视觉【1 5 】【1 8 】是使用一台c c d 相机抓取场景图像，通过图像处理及分 析提取深度信息。但仅用一台相机抓拍到的平面图像，只含有二维信息，不存在 深度信息；该类算法总的来说是尽可能使用平面图像的纹理、阴影和色差来估算 深度信息，严重依赖于场景中的不确定因素，如背景的颜色饱和度、目标和背景 问的色差、光照强度、光照方向等，这意味着使用单目视觉方法有诸多限制条件， 在场景复杂的环境中三维重建实现困难。 ( 2 ) 双目立体视觉1 9 】【2 2 1 的主要思想是三角测量法，使用两个c c d 相机同时 对场景进行拍摄，由于两台摄像机放在不同的位置，物体的图像将出现在两台摄 像机中的不同位置，因此形成一个偏差角；基于两台摄像机的偏离位置与偏差角 的确定，目标的距离经三角测量可以估算出来。但是在使用三角法之前，应当首 先解决一个问题，就是如何识别两台相机中的哪点为物体上的同一点，这是得到 偏差角的前提条件；此处理过程极为复杂，涉及到图像处理及识别技术，没有在 浙江理：i ：大学硕士学位论文 物体上预先确定标记或场景先验知识的引导，解决这个问题是极其艰难的。 ( 3 ) 多目立体视觉f 矧。【2 5 1 是在双目视觉的基础上，增加一个或多个相机来提 供信息，增加几何约束条件，消除匹配的歧异性，从而降低了匹配的难度。但是， 多日立体视觉增加了结构的复杂性和测量误差，使测量效率降低，因此在实际测 量中应用较少。 ( 4 ) 基于结构光的主动立体视觉是双目立体视觉的另一种表现形式，其用 一个光源取代了双目视觉中的一个c c d 相机向视觉区域投射带有编码信息的模 式光照，避免了两c c d 图像匹配这一艰巨的工作，从而赢得了检测速度和成功率。 课题组前对基于符号m 阵列面结构光三维检测的几个关键问题进行研究。 本文是在课题组前期研究的基础上，对三维图像拼接进行研究。 1 2 三维拼接技术概述 三维拼接技术实质就是将不同坐标系测得的三维数据变换到同一坐标系，融 合成一个整体。目前已有许多学者对该技术进行研究，提出了多种拼接方法及理 论。 一、自由拼接。不借助辅助机械机构，用软件算法从相邻测量区域的重合部 分来提取坐标系之间的转换信息，测量过程中将整个测量装置作为刚体在被测物 前可以自由移动，但是要求相邻测量区域之间必需有重合区域。这类方法使用灵 活、方便，理论上对被测物体的尺寸没有任何限制。该方法仅依靠物体表面自身 的特征信息进行空间图像拼接，算法复杂，拼接误差较大，适合对拼接精度要求 不高的应用场合。 天津大学的许智钦等1 2 6 1 利用曲率特征和彩色信息进行3 d 数据的拼接。 南京理工大学的吴新民等【2 7 1 采用条纹投影变换的方法，利用m o i r e 条纹进行 拼接。 张正友【2 8 1 利用两组点群数据依据距离分布的统计方法拟合成一组完整的数 据，算法简单，计算速度快，但拼接误差较大。 c s c h u a 和r j a r v i s 掣2 9 1 利用曲率和d a r b o u ) ( f r a m e s ( 特征点的法向量与两 个曲率主轴方向构成) 在参考数据中找出三个特征点，然后在另一组数据中找出 对应的三个特征点来完成坐标定位。 4 浙江理工大学硕士学位论文 二、约束拼接。 根据约束条件不同分为传感器位置约束和图像控制点约束。传感器位置约束 就是传感器从不同的视角观察物体，观察相邻空间曲面的两个传感器位置关系可 知，通过传感器问的位置关系变换坐标，实现三维拼接。通过辅助设备进行传感 器位置标定，操作比较复杂。 图像控制点约束就是利用待拼接的图像所包含的控制点信息，实现图像数据 的整合，它仅仅依靠物体表面自身特征信息进行三维拼接，算法复杂，操作简单， 拼接误差较大，适合干对拼接精度要求不高的应用场合。 1 3 三维曲面拼接技术研究现状 三维曲面拼接技术在工业上应用前景广阔，有助于实现对大型物体三维形貌 测量，国内外学者对其进行了大量的研究。 f e m a n d oc m m a r t i n s 等【3 0 】使用形状和纹理对不规则大型物体进行三维拼接。 从一系列范围和彩色的图像自动生成纹理对象模型需要两个主要的任务：测量拼 接和测量的整合。在三维空间中，测量拼接是对物体当前的位置与方向的估算， 对于任意固定的参考，给出当前的测量及三维物体模型的重建。测量整合是利用 现有拼接测量对三维物体模型的更新。介绍一种迭代3 d 3 d 拼接技术，既使用 三维物体中可使用的纹理及形状的相关信息及三维测量。该方法处理的概率模型 在测量整合步骤之前可能不完善。通过一个机率传感器模型描绘的传感器获取测 量值。物体模式在没有用户交互的情况下自动构建。每一个模型在三维空间罩是 一个紧凑的统一镶嵌，每一个镶嵌的细胞代表了一种概率模型的形状和纹理。支 持不规则型物体和物体的形状纹理或是姿态的先验知识都没有被假定。传统的拼 接方法只考虑形状和几何信息。考虑到空间单元的相对定位及单元之间的纹理差 异，通过定义一个广义内置单元距离测度，把纹理信息作为额外的证据。实验结 果证明了所提出方法的效率和鲁棒性。纹理在拼接中重要性在于只考虑几何信息 所得结果的比较。 r a j a p a k s ec s 等【3 1 】进行显著结构不匹配的多形态胫骨图像的快速三维拼接 方法研究。微核磁共振成像( u m 对) 连同微小的有限元分析在估计骨质疏松症患 者骨头机械性能方面如刚度和弹性常数等显示出很大的潜力。由于空间分辨率和 5 浙江理工火学硕士学位论文 信噪比达到活体内是有限的，估计性能的有效性通常是由比较那些来自高分辨率 的尸体标本的微静态试验图像得到的。为精确比较来自微核磁共振和微静态试验 图像的机械参数，分析的三维图像必须严密的匹配。微观组织结构( 和皮层) 的调 整通常是受微核磁共振和微静态试验图像之间的根本差别及在骨髓内容和表皮 骨头厚度方面的变化限制的。提出一个基于拼接及分割算法的互相结合分割算 法，对通过微核磁共振和微静态试验获得的三维胫骨标本图像进行拼接，在有限 元素造型中估计骨头的机械常量。算法先产生三个平移和旋转参数要求排列从 亚地区较高的微结构相似性的分段的微核磁共振和微静态试验图像。这些转换参 数接着被用来拼接微核磁共振和微静态试验图像之间的灰度，包括皮层和骨骼。 基于拼接的扩频最大化强度算法适用于三维刚体的图像拼接的应用通过平面旋 转是相对较小的。所得图像的接近对准线表明在数量上以体元重叠定量论证为基 础、在质量上运用微观结构的视觉测量定性检查。 f i s h e re l i z a b e t h 掣3 2 】在医学变动检测图像表面三维拼接研究中，通过量化数 据集的空间拼接，在时间变化的情况下病人的位置连同传感器会随之改变。兴趣 区域的变化能给自动拼接方法带来问题。该研究讨论了来自一系列、单一图像表 面自动三维拼接的问题，目的是为了使量化随时间变化而变化。拼接算法运用几 何性质如移动不变式、曲率等获得最初的刚性转换图像与二个图像集对齐的近似 值。初始拼接后，表面的改变部分在改善转换参数之前被检测和排除。算法的性 能利用仿真实验进行了测试。定量评估拼接、各种水平的随机噪声、已知刚体运 动转变，分析被定义的体积变化用于从牙齿模型获得的初始表面数据。这些模拟 实验表明，计算的转换参数可以被精确到全部应用旋转的1 2 和全部应用平移 的2 9 ，甚至是在最高的外施噪声水平和模拟磨损的噪音下。 g a o y ux i a o 等【3 3 】使用测定体积法实现部分重叠物体表面的三维拼接。提出了 一种新颖的测定体积的方法，实现对一个普通的牙冠和一颗相同牙齿类型的完整 牙齿的三维拼接。不同于大多数现有的三维表面局部拼接方法，算法不需要两个 表面是同一个对象，只要使他们是物体的同一类即可( 例如，一组类似物体) 。两个 面的欧氏距离领域和在这些欧氏距离领域的一组距离向量被用来产生一系列的 候选转变。通过验证一系列的候选参数，导致参数误差最小的拼接选为最佳的解 决方案。此算法另外的优势在于其初始姿态估计算法并不是必须的。它的效果是 6 浙江理工大学硕士学位论文 由一系列实验证实的。 y a r o na v i 等【3 4 】研究了微创手术中使用微型立体视频系统提供实时三维拼 接和图像融合。复杂的手术需要几次医学成像模式的整合，如核磁共振成像和三 维的c t ，为外科医生提供一个直观且易于使用的方式这方面的信息。v i s i o n s e n s e 带来的一个显著的发展是使外科医生能够通过使用一个微型立体照相机来想象 三维场景。它还提供了实时三维测量，允许导航系的拼接以及三维成像模式，覆 盖了这些实时立体视频图像。通过组织融合方案的实时信息管理系统促进了新的 信息管理系统过程在各个外科部门的发展，如脊柱、腹部、胸部心脏和大脑。该 文介绍了一种通过使用v i s i o n s e n s e 相机进行三维曲面重构和拼接的方法，作为 充分自动多形态三维拼接的一个步骤。 a r d e k a n i 等【3 5 1 在使用半球问裂大脑磁共振及p e t 成像三维拼接的误差分析 研究中，提出了一种对不同形式的脑部影像进行三维拼接的方法。它采用半球间 裂面来减少三维n - 维的问题。操作者提供拼接过程各个阶段的多个测量。因此 可以估计每个参数的随机误差，以此来定义拼接转换。根据几何和统计原则，它 们的组合提供了各个情况下的拼接误差估计。拼接误差适合于四种情况并且平均 起来误差小于3 5 毫米。不同操作者在拼接过程中的差异会导致误差，而且平均 起来不少于3 8 毫米。 d a n d a n 等【3 6 】在基于形态学骨架超声图像的三维拼接研究中，为了消除在三 维超声图像的重建过程中相邻图像之间的位移和弹性形变，采用了基于形态学骨 架的弹性拼接。连接骨骼的特征点通过多次计算