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立体内视测量技术研究

张光伟  
【摘要】: 基于立体视觉的内视测量技术在国外已经得到了初步研究和应用,在国内也受到了极大的关注。随着CCD摄像机的小型化和计算机硬件集成度的不断提高,相关技术的不断发展,立体内视测量技术以其柔性、快速、非接触、精确、自动化程度高等特点为优势,得到了越来越广泛的研究与应用。 本文设计研发的立体内窥测量系统,可用来检测枪械、火炮的膛线及内部表面的损伤,对膛线损伤区域的深度、长度、面积等可进行定量测量和定性分析。 结合立体视觉的几何模型,以适合人眼观察的Panum区原理为基础,得出了符合人眼观察习惯的舒适视差范围,并根据在CRT显示器上舒适观察距离,计算出最大像素差,并以此推导出立体内窥镜的放大率、焦距、视场角等重要参数。对立体内窥镜光学系统包括物镜光学系统、转像光学系统和目镜光学系统等的结构与相关镜头参数进行了详细的设计与优化。 该立体内窥测量系统采用FPGA技术,对立体内窥镜所获图像实现了100Hz双路视频信号的交替逐行输出,使时分制显示图像频率达到50Hz,克服了传统时分制立体电视图像的闪烁现象和采用计算机图像时分制显示资源的不可分配性。系统利用Verilog HDL语言实现了双路视频处理及视频传输控制电路的设计,采用了外设SDRAM存储器作为帧存储器,以实现视频数据的存储。在FPGA中开辟FIFO用来缓存SDRAM输入和输出的像素数据,加快存储速度,使输出扫描帧频可达到100Hz逐行扫描,让观看者更舒适。 针对枪膛、炮膛测量的特点与需求和现场实际环境的分析,采用了一种灵活、简洁、精度高的标定方法—张氏平面标定法,对立体摄像机进行了标定,确定了空间点之间的对应关系,提高了测量的准确性。运用基于可调节阈值的Canny算法的最佳边缘检测算子,提高了图像边缘的清晰度与信噪比;采用基于动态规划的区域灰度匹配和特征点匹配的快速算法,根据特征点来限定非特征点的有效视差集,缩小了生成视差空间的计算复杂度和搜索范围,使遮掩区得到了一定程度的识别。实验表明,此算法简单实用,运算速度快,对边缘清晰的立体图像对达到了较高的匹配率。 该立体内窥测量系统,较好地解决了枪械、火炮膛线的立体图像采集困难、边缘不清晰,测量问题中的失配、误匹配和低速等问题,提高了枪械、火炮内膛线测量的准确性。


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