便携式影像容量测量技术研究

 摘要
目前国内外船舱容量计量应用最为广泛的是全站仪测量，其特点是单点测量精度较高，但是对于较复杂或存在着大曲面舱壁的舱室而言，全站仪测量明显存在着采样点密度不足、人为影响因素较大、自动化程度不高等技术不足。数字摄影测量的飞速发展为解决不规则复杂舱室的容量计量难题提供了新的途径。采用数字摄影测量方法进行船舱三维重建的前提是舱室表面必须有可用于匹配的纹理，然后船舱一般颜色单一，环境灰暗，纹理信息不够丰富，无法提供三维重建足够的信息，利用结构光技术可以解决这一难题。由于船舱形状一般较为复杂，简单初等解析曲面无法完全表达船舱表面几何信息，需要运用以Nurbs方法为代表的自由曲面造型技术，才可构建出精确完整的曲面模型。本文通过研究相关理论和方法，提出一个基于结构光获取船舱点云以及基于点云重建船舱曲面并测定体积的解决方案。本文所取得的主要研究成果如下：
1. 分析了普通数码摄像机的成像模型和畸变因素，利用室内精密三维控制场，对立体相机进行了检校实验，实验结果表明控制点中误差为毫米级，核线误差为1.7个像素。由于船舱缺乏纹理，人为给船舱投射点阵结构光，通过视差约束、核线约束、前交距离约束以及相关系数匹配进行影像匹配，可以得到较理想的匹配结果。
2. 基于罗德里格矩阵的坐标转换方法，对坐标系间的旋转角大小没有限制，算法简单，无需迭代运算，本文详细推导了基于罗德里格矩阵的坐标转换平差模型，并采用该模型进行模型连接。由于近景摄影测量不同于传统的航空摄影测量，立体影像的交会角较大，因而在大范围视场内很难保证立体影像间有一定数量的物方同名点，本文根据船舱真实场景设计了一种模型分块的方案，采用分块的方法将船舱分成若干块，并生成了完整的船舱点云。
3. 针对散乱的船舱点云数据，提出了一个基于基面投影参数化的Nurbs曲面构建方案，通过实验表明本文方法所拟合的Nurbs曲面较为精确，可以很好地表现散乱点云的几何分布，拟合精度均方误差和平均误差都达到了毫米级。
4. 基于本文提出的船舱点云生成方案以及散乱点云重构Nurbs曲面的方案，利用三维渲染引擎OpenSceneGraph、几何造型内核OpenCascade和微软基本类库MFC,开发了一套由影像生成点云，由点云进行曲面重建的原型系统——Volume,并通过实例验证了该原型系统的有效性。

关键词：结构光；Nurbs；曲面重建；容量测量
目录
摘要 I
Abstract II
1.绪论 1
1.1论文研究背景及意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.2.1基于结构光获取物体点云现状 2
1.2.2基于点云的曲面重构技术现状 3
1.3主要研究内容及全文组织结构 4
2.船舱点云生成 6
2.1相机标定 6
2.1.1相机成像模型 6
2.1.2多片空间后方交会的相机检校 10
2.2特征点的提取和匹配 13
2.2.1特征点的提取 14
2.2.2核线几何 14
2.2.3影像匹配 18
2.3特征点模型坐标解算 20
2.3.1独立模型坐标解算 20
2.3.2模型连接 22
2.4本章小结 28
3.船舱曲面重建 29
3.1点云平面拟合 30
3.1.1平面拟合模型 30
3.1.2交互式分割法拟合平面 30
3.1.3特征线和角点的提取 32
3.2Nurbs曲面拟合 33
3.2.1Nurbs曲线曲面的定义 33
3.2.2拟合Nurbs曲面 36
3.3船舱容量计算 45
3.3.1曲面三角剖分 45
3.3.2坐标法测体积 46
3.3.3断面法测体积 46
3.4本章小结 47
4.系统方案设计 48
4.1硬件介绍 48
4.1.1点阵结构光 48
4.1.2立体相机 48
4.2软件设计 49
4.2.1系统开发环境 49
4.2.2系统结构及功能模块 51
4.2.3系统运行实例 52
4.3本章小结 58
5.总结与展望 59
5.1全文工作总结 59
5.2今后工作展望 60
参考文献 61
致谢 64
主要研究内容及全文组织结构
第一章为绪论，主要阐述了本文的研究背景和意义，并简单介绍了基于结构光获取物体点云现状和基于点云的曲面重构技术的现状，最后介绍了本文主要研究内容。
第二章主要研究了生成船舱点云的技术流程。介绍了相机成像模型以及基于多片空间后方交会的相机检校的原理，并对检校精度进行评定；概述了点阵结构光影像匹配的方法，通过视差约束、核线约束、前交距离约束以及相关系数匹配，得到了较理想的匹配结果；简述了空间前方交会理论以及基于罗德里格矩阵进行模型连接的方法，根据船舱真实场景设计了一种模型分块的方案，并生成了完整的船舱点云。
第三章主要研究了基于船舱点云进行曲面重建并测量体积的技术流程。概述了平面拟合模型，采用交互式分割法拟合出局部平面，并将拟合出的平面进行求交精确提取出船舱角点；介绍了Nurbs的基本理论，给出Nurbs曲线曲面的数学定义，采用插值法拟合出Nurbs曲线，针对散乱的船舱点云数据，提出了一个基于基面投影参数化的Nurbs曲面构建方案，并给出了实例验证拟合算法的可行性和有效性；探讨了基于已构建的船舱曲面模型计算体积的方法，通过曲面三角剖分，采用坐标法或者断面法测量出船舱体积。
第四章简要介绍了测量船舱体积这一课题所设计的硬件，并开发了一套由影像生成点云，由点云进行曲面重建的原型系统——Volume,并通过实例说明了该原型系统的有效性。
第五章主要是对全文的工作总结，以及对未来研究工作的展望。