华中科技大学 硕士学位论文 基于光度立体视觉的表面精细特征三维重建技术研究 姓名：徐庆相 申请学位级别：硕士 专业：材料工程 指导教师：王从军 2011-05-28
华中科技大学硕士学位论文
摘要
物体的三维重构是光学测量领域里一个重要的分支，其在工业检测，产品质量 控制，医学诊断，古董和遗迹的研究，现场取证，虚拟现实等多种领域都着有广泛 的应用。在一些应用领域需要获取物体表面细微特征的三维数据，但是现有的测量 方法在测量精度和细微分辨率两个方面还无法兼顾，使得其应用受到了很大的限制。 本文研究了一种基于光度立体视觉的物体表面细微特征三维重建技术。该技术能够 获取物体表面细微特征的三维数据，并且能与结构光三维测量技术相结合，获取物 体高精度和高细节清晰度的三维数据，有着实际的应用价值。
In this paper, we studied the principle of photometric stero algorithm systematicly, and designed the photometric stereo measurement equipment. Firstly, a reasonable reflection model that corresponds to the material of the object was chosen. Next, the orientations are calculated for the parts of the surface that are visible and directly illuminated. Finally, these orientations are used to determine the shape of the surface as depth coordinates. We can obtain the 3D shape of detailed features in this method successfully.
本文对光度立体视觉算法的原理进行系统的研究，并对光度立体视觉测量设备进 行了设计。首先标定光源方向，并根据物体材料建立了一个合理的光照模型，然后 根据图像的亮度信息计算物体的表面法向，最后根据物体表面法向计算表面三维数 据，并且通过实验证明本方法能够成功对物体表面的细微特征进行三维重构。
本文在对结构光测量的原理进行系统的研究的基础上，对结构光测量设备进行了 设计和优化。通过实验和分析，找到了通过结构光测量设备获取物体细微特征的方 法，并通过多个实际的应用，分析了结构光测量系统对物体细微特征三维重建的有 效性。
本文研究的三维测量系统主要面向物体的精细结构和细微特征的三维重构，重 点在于提高物体三维形貌重构的精细度、速度和操作的方便性。通过对光学测量技 术的对比分析，本文分别对被动测量技术中的光度立体视觉测量技术和主动测量技 术中的结构光测量技术进行了系统的研究，并通过这两种技术分别实现了物体细微 特征的三维重构。
随着图像处理硬件水平的不断提高，以及机器视觉技术、图像处理技术、计算 机技术等的不断发展，视觉测量技术也相应地得到了很大的提高。视觉测量技术是 计算机视觉领域的一门新兴技术，它以图像作为检测和传递信息的载体，通过图像 处理算法从二维图像中提取有用信息，进而获得被测物体的三维几何尺寸和空间位 置。目前，光学测量技术已经被应用到了很多精密加工制造和精密测量领域，以满 足微型零件和细微特征的加工和检测需要，具有很好的应用前景。
II
华中科技大学硕士学位论文
By analysing the advantages and dis advantages of photometric stereo and structured light 3D measurement technique, in order to optimize the 3D data, we present a method that combine photometric stereo and structured light 3D measurement technique, it is able to achieve both high-precision and more details. Key words: Detailed features, Photometric stereo, Reflection model, Surface orientations,
The research of three-dimensional shape recovery is an important branch of optical measurement. There are prospective applications in the research of antiques and relics, field evidence collection, virtual reality, medical diagnostics, industrial inspection, product quality control and other areas. Facing the requirements of high-precision, high-efficiency and low-cost on detection of small size objects and subtle characteristics, the current methods can not either meet the requirements or are too expensive, so that most people can not accept them. Therefore, we develop a low-cost, high-efficiency and simple 3D measurement system for small size objects and subtle characteristics. furthermore, it can cambine with the structured light 3D measurement system. it has a pratical value.
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
以往获取物体的三维模型都是借助于接触式的三坐标测量机、激光扫描仪等非 常昂贵的设备，通过获取物体的点云数据，然后利用专业的软件来重建物体的三维 模型。这种方法虽然数据精度比较高，但是存在成本高，自动化程度低，效率低， 被测物体形状受限等问题。所以，研究利用廉价的设备快速准确的获得真实物体的 三维形貌就具有非常重要的实际意义。
Our 3D measurement system is used to obtain the shape of small objects and subtle characteristics primarily, we focus on its precision, efficiency and convenience. In this paper, firstly, we analyse some popular optical 3D measurement techniques, then we respectively study on photometric stereo technique of passive measurement and structured light 3D measurement system of active measurement, and achieve the 3D shape of detailed features successfully.
保密 □ ，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于
不保密 □ 。 (请在以上方框内打 “ √ ” )
学位论文作者签名： 日期: 年 月
1 绪论
1.1 课题的研究目的与意义
物体的三维感知是计算机视觉领域的关键技术之一，获取物体的三维形状是很 多学科里用来对物体或物体表面进行解释的一种重要手段，例如在古董和遗迹的研 究，现场取证，虚拟现实，医学诊断，工业检测，产品质量控制等多种领域都有广 泛的应用。
本文研究了一种基于光度立体视觉的精细特征三维模型重建系统。光度立体视 觉测量技术是通过在不同光照条件下所拍摄的多幅图像的光强来计算物体表面的方 向梯度，进而获得物体的三维信息。其有着设备简单、图像处理容易、操作方便等 很多优势，但是也存在着很多的问题需要解决。三维重构算法是计算机视觉三维测 量最底层也是最关键的技术，三维重构算法的优劣直接影响着测量的精度。所以， 研究如何提高算法的精度和运算速度，对于开创新的视觉理论和提高现有视觉系统 的性能，都具有很重要的意义。
3D reconstruction, Structured light 3D measurement.
III
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。文中除已经标明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。
通过对比和分析光度立体视觉技术和面结构光测量技术的优缺点，本文还提出了 一种把结构光测量系统和光度立体视觉测量系统进行结合，对三维数据进行优化的 方法，它既能保证三维数据的精度又能提高三维数据细节信息。
关键字：精细特征、光度立体、光照模型、表面法向、三维重建、结构光测量
I
华中科技大学硕士学位论文