计算机立体视觉研究及其在宝石测量中的应用

【摘要】：作为人工智能的一个重要分支,计算机视觉研究的最终目标就是利用计算机以及相关设备实现模拟(或强化)人类视觉的功能,即通过捕获到的二维图像实现对客观世界三维信息的感知、识别和理解。本文以宝石三维空间特征测量应用为背景,研究了双CCD立体视觉测量系统的相关理论和技术实现。由于数据的处理以及测量结果可以在计算机上自动完成,该系统将能大幅度提高宝石检测的效率和精度。 本文对立体视觉测量系统的图像获取装置、摄像机标定技术、数字图像处理算法、立体匹配技术等问题进行了深入研究,全文共分五章,主要内容如下:第一章介绍了课题的来源、研究内容和研究意义。计算机视觉近年来发展很快,出现了很多新理论、新技术。文章择要介绍了作为计算机视觉领域中里程碑的Marr的计算视觉理论框架,分析了市场上主流计算机视觉系统厂商的新产品和技术。文章给出了典型的立体视觉测量系统的结构和处理流程,指出了本文所采用的立体视觉测量系统所面临的主要技术难题。 第二章侧重于立体视觉中的数字图像处理技术的实现。文章给出了数字图像的概念,介绍了空间域和频域两类图像处理方法。随后按照图像处理的流程,研究了图像增强中的滤波技术(低通滤波和局部平均法中的中值滤波),并行图像分割中的边缘检测算法和常用算子、模板,图像的阈值分割以及图像形态学的计算。 第三章将群论这一研究变换和对称性的现代数学工具引入到计算机视觉中来,探讨了一个基于群论的摄像机标定技术。该技术对摄像机标定模型、坐标系、坐标系变换等都用一种崭新的思路进行了重新阐述,将传统算法复杂的标定问题简化成两个群之间的复合映射,进行的仿真试验证明该标定方法能够 满足宝石测量的精度要求。本文还研究了群论在物体的特征表述、关系的推理等方面的应用,给出了一些典型的特征群和两个物体之间位置关系的表述公式。第四章专注于宝石三维空间特征测量系统的实现。文章介绍了宝石三维空间形状、尺寸的测量对于宝石加工的意义。分析了基于PC机的双CCD立体视觉测量系统的数学模型,确定系统布置后对于图像获取装置如CCD摄像机、镜头、光源等进行了选择。本章最后着重讨论了作为立体视觉关键的图像匹配技术,研究了典型的灰度相关法和特征匹配法,应用了一种多阈值的灰度匹配与特征匹配相结合的立体图像对的匹配算法。对玉镯图像的处理结果说明该方法是正确有效的,能够满足普通测量的要求。最后,在总结全文的基础上,指出了若干有待深入研究的问题。