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基于内窥成像的三维图像联合稠密重建与测量研究

谷韵婷  
【摘要】:内窥镜作为一种无损检测设备,突破了人眼可视范围的限制,能够在无法直接观测的受限空间和有毒有害环境下将待测场景内部状况传递出来,大大节省了检测时间和成本,被广泛应用于工业制造、航空航天、电力、医疗等领域。传统的内窥二维图像包含了丰富的平面信息,但因缺乏深度信息,使之无法反映待测物体的凹凸情况,人们只能凭借经验进行主观判断,难以保证内窥检测结果的可靠性。三维重建与测量技术能够获得待测场景的三维模型,有效改善传统内窥图像无法判断待测场景深度和位置的不足,增加内窥检测获得的信息量,提高检测的准确率。目前基于内窥成像的三维重建与测量技术已较为成熟,但还存在以下难点:首先,现有的三维重建方法存在不足,例如阴影三维重建的精度较低、偏振三维重建的表面法向量校正困难、偏振重建与阴影重建仅能获得像素坐标以及立体视觉三维重建点云稀疏等,如何建立三维重建系统使之可以同时实现三种重建,并结合三者的优势获得世界坐标系下细节丰富的稠密重建是目前三维重建的难点;其次,内窥镜通常工作在较暗的环境下,需要外部光源照明,因此内窥图像存在对比度低、噪声干扰等情况,严重影响了边缘检测的获取,进而影响三维测量的精度,如何准确检测和提取边缘是需要解决的重要问题。针对以上难点和具体应用需求,本论文展开了基于内窥成像的三维图像联合稠密重建与测量研究。本论文的研究工作主要包括以下几个部分:一、开展基于内窥成像的三维重建系统研究。对应用于内窥成像的阴影重建、偏振重建与立体视觉重建方法的特点进行对比分析,提出基于内窥成像的三维重建系统结构,该结构可以同时获得三维重建点云。通过对系统的各部分器件进行分析与设计,构建高成像质量的内窥成像的三维重建系统并完成内窥光学系统的标定工作。通过分析三维重建系统标定参数与重建坐标的关系,提出利用空间立方体进行仿真实验确定标定参数误差对重建精度的影响,进而对三维重建系统设计高精度的张氏标定实验,确定光学系统的内参数。基于内窥成像的三维重建系统的搭建和标定作为后续三维重建和测量技术的基础。二、提出一种联合稠密三维重建方法。分析阴影重建与偏振重建的点云关系,提出利用阴影重建校正偏振重建表面法向量的方法,解决偏振重建表面凹凸歧义问题;根据坐标轴之间的线性变换关系,建立点云转换与融合模型,实现点云从像素坐标系到世界坐标系的转换,解决阴影重建与偏振重建无法获得真实世界坐标的问题;通过分析世界坐标系下的特征匹配点对应的立体视觉、偏振重建与阴影重建的点云特性与坐标特性,构建最小误差模函数将三种重建方法结合,解决单纯使用立体视觉存在数据空洞的问题,获得高精度的联合重建表面。通过实验验证联合稠密三维重建方法的有效性与重建模型的合理性。三、针对内窥图像光照强度不均匀等问题,提出光强与偏振度融合的改进小波模极大值边缘检测算法,以克服传统边缘检测算法的不足。在传统小波模极大值边缘检测算法的基础上,引入非局部均值滤波、迭代阈值与双阈值算法,提高传统小波模极大值算法的抗噪声干扰能力、自适应性与边缘连接性;将光强边缘与偏振度边缘进行细化融合,充分利用光强图像与偏振度图像的信息互补性,提高了边缘检测的信息量。为了验证光强与偏振度融合的改进小波模极大值边缘检测算法的有效性,进行边缘检测实验,成功获得细节丰富的边缘图像。进行边缘检测实验与三维长度获取实验,验证算法的边缘提取与三维长度测量能力。


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