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《大连理工大学》 2005年
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基于图像灰度的自由曲面重构算法研究

郝平  
【摘要】:利用图像灰度信息重构物体三维表面(简称SFS,Shape from Shading)的方法是一种重要的非接触曲面测量手段,在遥感、工业测量、模式识别、产品监控、显微测量等领域都有着广阔的应用前景,近年来成为基于视觉的曲面测量领域研究的热点和难点问题。但是现有的SFS方法仍存在曲面重构精度较低、在图像辐射度方程的迭代求解过程中容易发散以及光照方向参数测量过程复杂等难以解决的问题,整个理论体系还不完善。本文详细介绍了SFS方法与其它测量方法相比所具有的优势、现有的SFS方法曲面重构原理及其国内外研究现状。分析了现有的SFS方法中存在的问题,针对这些问题提出了相应的解决方法,并通过实验验证了本文所提出的算法,力求对SFS方法理论的完善做出贡献,希望能够推动SFS方法从理论研究转化到实际应用中。 现有的SFS方法集中研究基于Lambert光照模型的图像辐照度方程逆向求解算法,Lambert光照模型是一个经验模型,未能考虑观察方向和物体表面粗糙度对光反射强度的影响,无法客观地描述光反射现象的物理过程。因此,近年来虽然提出各种SFS方法所对应的非线性偏微分方程组的求解算法,但是曲面重构结果的精度始终未能获得较大突破。本文针对光反射现象进行了详细分析,忽略了一些对SFS方法影响较小的光反射分量,将反射光分为漫反射分量和镜面反射分量,以基于光度学和辐照度学理论推导得到的高精度物理光照模型Oren-Nayar模型为基础,根据SFS方法的特点简化了Oren-Nayar光照漫反射模型,并对其增加了镜面反射分量,将光的漫反射分量和镜面反射分量加权相加构成适用于SFS方法的光照模型。该光照模型比传统的几何光照模型精度高,对物体表面粗糙度没有限制,并具有相对简单的数学表达形式,满足了SFS方法的需要。 本文针对改进的光照模型提出了相应的SFS方法的最小化算法。由于SFS方法本身是对一个病态的非线性偏微分方程进行求解,所以在求解过程中需要增加光强约束条件、表面光滑约束条件和表面可积性约束条件,使之转变为可以迭代求解的问题。在迭代求解过程中给出了边界条件和收敛判据,分别基于Lambert光照模型和改进的光照模型对已知形状曲面图像进行重构,通过对重构精度的比较验证了改进的光照模型可以提高重构曲面的精度。同时,本文利用改进的光照模型及其相应的图像辐照度方程逆向求解算法对不同类型的曲面图像进行重构,验证了该光照模型及其相应的SFS算法具有普遍适用性。 由于非线性偏微分方程的迭代求解算法复杂,在迭代过程中经常收敛到极小值。因此,本文提出一种基于神经网络模型间接求解曲面高度的方法,将神经网络模型看作是光照模型及辐照度方程逆向求解的非线性逼近函数,将形状已知的曲面图像中某一点的灰度、其邻域内点的灰度以及该点的光照条件参数作为输入参数对网络模型进行训练,
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TP391.41

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王学梅;不同成像条件的从明暗恢复形状算法研究[D];国防科学技术大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前5条
1 初少林;基于三维重建的焊点质量分类方法研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
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3 郭便;加工表面显微视觉图像三维重建与粗糙度检测[D];西安理工大学;2010年
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5 姚冰;基于三维重建的表面粗糙度测量方法的研究[D];西安理工大学;2009年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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1 乌秀春;反求工程中基于图像灰度信息的三维曲面重构研究[D];大连理工大学;2002年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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4 郭俊;孙杰;王刚;王文生;;数字全息干涉术在物体微小变形测量中的应用[A];第九届全国信息获取与处理学术会议论文集Ⅱ[C];2011年
5 吴庆华;钟飞;夏明安;何涛;;光切法薄片零件在线厚度测量[A];第九届全国信息获取与处理学术会议论文集Ⅱ[C];2011年
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7 段书凯;刘光远;;网络参数对混沌联想记忆特性的影响[A];第十一届全国信号处理学术年会(CCSP-2003)论文集[C];2003年
8 宋雪静;吴仁彪;刘家学;;基于GPR的机场跑道灾害识别[A];第十四届全国信号处理学术年会(CCSP-2009)论文集[C];2009年
9 李石华;金宝轩;;基于Matlab的自组织神经网络在地形复杂区遥感图像分类中的应用研究[A];第二届“测绘科学前沿技术论坛”论文精选[C];2010年
10 刘松林;陈杰;郝向阳;西勤;;玻壳缺陷检测与几何量测视觉系统的设计与实现[A];2009年全国测绘仪器综合学术年会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
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3 王文标;基于视觉测量的快速再制造成形系统关键技术研究[D];大连海事大学;2010年
4 时长江;豆科类杂草种子图像识别系统研究[D];中国海洋大学;2009年
5 肖洁;视觉注意模型及其在目标感知中的应用研究[D];华中科技大学;2010年
6 朱松;随机回归神经网络的动力学行为研究[D];华中科技大学;2010年
7 朱清波;序列图像三维重建方法研究[D];华中科技大学;2010年
8 杨红;污水生化处理的智能建模与优化控制策略应用研究[D];华南理工大学;2010年
9 孟凡文;面向光栅投影的点云预处理与曲面重构技术研究[D];南昌大学;2010年
10 华岗;地震体数据可视化与分析研究[D];浙江大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 何慧娟;基于多传感器的移动机器人障碍物检测与定位研究[D];安徽工程大学;2010年
2 宋抗;压缩机活塞圆度误差数字检测系统研究[D];河南理工大学;2010年
3 王浩锋;基于BP神经网络的航段安全评估研究[D];中国工程物理研究院;2010年
4 代宏伟;布里渊散射水下探测目标的自动识别[D];南昌航空大学;2010年
5 宗雯雯;基于双目立体视觉的特征点匹配关键技术研究与应用[D];山东科技大学;2010年
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 熊鸣镝;用于动画演示的穿浪双体船快速曲面造型[J];船舶;2001年01期
2 夏明革,何友,苏峰;基于多小波分析的图像融合算法[J];电光与控制;2005年02期
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中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 乌秀春;反求工程中基于图像灰度信息的三维曲面重构研究[D];大连理工大学;2002年
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中国硕士学位论文全文数据库 前9条
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 麦青群;全燕鸣;;基于显微成像法的机加工零件表面质量检测[J];现代制造工程;2012年11期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 王金芬;基于混合反射模型和多线索融合的曲面重构[D];燕山大学;2012年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 程继伟,巩马理,贾维溥,刘兴占,闫平,张海涛;位置敏感探测器在转角测量中的应用[J];传感器技术;2002年10期
2 吴晏,丁明跃,彭嘉雄,黄载禄;一种用于不相似图像的匹配定位方法研究[J];电子学报;1997年01期
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8 赵冬斌,陈强,陈善本,吴林;由单幅图像恢复物体三维形状的应用研究[J];光学技术;2001年04期
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【相似文献】
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2 朱玉红;快速反求工程及其在快速成形制造中的应用[J];机电工程;2004年08期
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7 熊汉伟,刘小鹏,熊汉伟,张湘伟;利用数码相机建立轿车数字模型库[J];机械设计与制造;2002年02期
8 白海清;侯红玲;赵永强;;车身覆盖件的曲面重构及数控加工[J];机械设计与制造;2009年01期
9 胡爱田;缪丹云;朱双明;;基于Imageware和Pro/E的反求工程应用[J];机电工程技术;2006年12期
10 张文信;黄阳;潘卫国;;反求工程的一种曲面插值算法[J];机电产品开发与创新;2008年05期
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5 ;数字媒体:共享缤纷世界[N];中国计算机报;2006年
6 ;生活中的计算机视觉[N];中国计算机报;2006年
7 张东风;从模仿创新到同场竞技[N];中国企业报;2006年
8 记者 胡祥修;莲花山建成世界最大图像数据库[N];湖北日报;2006年
9 记者 李大庆;我在国际计算机视觉算法竞赛中摘金[N];科技日报;2011年
10 本报记者 房琳琳;沈向洋:双榜院士“中国造”[N];科技日报;2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 郝平;基于图像灰度的自由曲面重构算法研究[D];大连理工大学;2005年
2 李庆中;苹果自动分级中计算机视觉信息快速获取与处理技术的研究[D];中国农业大学;2000年
3 乌秀春;反求工程中基于图像灰度信息的三维曲面重构研究[D];大连理工大学;2002年
4 冯斌;计算机视觉信息处理方法与水果分级检测技术研究[D];中国农业大学;2002年
5 赵书涛;基于计算机视觉的直读仪表校验方法研究[D];华北电力大学(河北);2006年
6 孟祥艳;牛肉物理特性与品质的检测方法研究[D];吉林大学;2010年
7 谢存;计算机视觉中若干问题实现技术和算法的研究[D];大连理工大学;2002年
8 张彦娥;基于计算机视觉技术温室作物长势诊断机理与方法研究[D];中国农业大学;2005年
9 王彪;计算机视觉技术在低空突防与精确打击中的应用研究[D];南京航空航天大学;2005年
10 杨述平;基于计算机视觉的三维测试技术研究[D];中北大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 李东泽;反求工程曲面重构技术研究[D];大连理工大学;2003年
2 张秀萍;基于点云数据复杂曲面的三维重构[D];新疆大学;2004年
3 文学红;轮胎花纹反求与数字化设计研究[D];广东工业大学;2005年
4 王明炎;反求工程中散乱点曲面重构三角剖分的研究[D];大连海事大学;2005年
5 张金萍;反求工程中重构精度的研究及其在凸轮反求设计中的应用[D];昆明理工大学;2002年
6 刘艳;基于结构光测量技术的自由曲面反求工程关键技术的研究[D];河北工业大学;2000年
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8 马英军;船用低速柴油机排气阀阀杆与转翼的几何反求研究[D];大连交通大学;2010年
9 刘志明;基于曲面重构技术的塑料异型材挤出模具制造技术研究[D];大连理工大学;2005年
10 侯贵堂;基于B样条的弧面凸轮反求设计与研究[D];大连理工大学;2006年
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