1、 攻读硕士学位研究生学位（毕业）论文 基于自然环境中线结构光图像的点云法线提取 学科专业 计算机应用技术 研究方向 图形学与虚拟技术 研 究 生 指导教师 完成时间 年 月 中国 陕西 基于 自然环境中线结构光图像的点云法线提取 摘 要 线结构光测量由于其成本低、体积小、质量轻、方便灵活等特点，在三维测量与检测中获得了广泛的应用。线结构光测量中，当被测物体表面曲率变化较大时，为了得到 精确的 光条中心， 首先 需要得到 每个 初始 中心 点 的 法线，然后在法线方向上进一步求解。因此，研究如何实现快速准确地提取点云法线成为线结构光测量研究的重点和热点问题 之一。针对目前点云法线提取算法在精度、
2、效率和应用范围方面都存在局限性的问题，本文研究并实现了一种基于自然环境中线结构光图像的点云法线提取方法。主要完成以下工作： （ 1）进行了激光波段的选择，解决了 自然环境下 CCD/CMOS 图像中激光和自然光的精确区分问题。首先通过普朗克公式计算太阳能量密度，并考虑大气对光谱的吸收作用，得到太阳光谱曲线；然后结合太阳光谱曲线和激光安全标准选择合适的激光波段；最后通过 将 CCD/CMOS 的敏感曲线和太阳光谱曲线 对应波段的 数 值 相 乘 得 到 CCD/CMOS 的 响 应 系 数 ， 选 择 对 工 作 波 段 响 应 敏 感的CCD/CMOS 使用 ，并设计 出能 在自然环境下 进行
3、扫描测量 的激光运动装置。 （ 2） 提取 初始 光条中心 ，获取点云数据 。针对实际测量中，线结构光光条图像会受到很多随机和非随机噪声的影响，首先对光条图像进行了预处理操作，包括灰度化、图像滤波和阈值分割；然后根据目前线结构光光条中心提取算法的研究现状，通过 Hildith 细化法和灰度重心法两种方法提取初始的光条中心，并给出两种方法的对比结果 ，结果表明细化法在提取过程中会丢失部分点，所以将灰度重心法提取到的光条中心作为点云数据，进行法线提取。 （ 3）提出了一种外接圆提取 法，解决了传统点云法线提取方法不能兼顾精度和效率的问题。在得到初始的光条中心点后，首先判断每三个相邻的点是否共线；然
4、后求出不共线三点所在圆的圆心坐标，连接该点坐标和对应的圆心坐标得到该点的初始法线；最后对每三条相邻的法线求平均以减少震荡。 在精度和效率方面，分别与 Hessian矩阵法和 Sobel梯度法比较。 选取三幅曲率不同的光条图像进行实验测试，结果表明，外接圆法提取点云法线的效率比 Hessian 矩阵法提高了 3 倍，比 Sobel 梯度法提高了 1倍，并且与 Hessian 矩阵法的平均误差小于 0.01mm，能够满足线结 构光三维测量的需求 。 关键词 ： 自然环境；线结构光；点云；光条中心；法线；外接圆 EXTRACTION OF POINT CLOUD NORMAL BASED ON LI
5、NE STRUCTURED LIGHT IMAGE IN NATURAL ENVIRONMENT ABSTRACT Line structured light measurement has been widely applied in 3D measurement and detection because of its many excellent properties, such as low cost, small volume, lightweight property, ease and flexibility. In the process of line structured
6、light measurement, when the surface curvature of the object changes dramatically, the normal of the original center must be calculated firstly, and then the light strip center can be obtained accurately from the direction of the normal. Therefore, studying the effective and accurate methods to extra
7、ct the point cloud normal has become a priority and hotspot issue in the research of line structured light measurement. In this paper, we study and realize a high-precision and high-speed point cloud normal extraction method. Our main research content and conclusion are as follows: (1) We select the
8、 wavelength of laser and solve the precise distinction problem between laser and natural light in CCD/CMOS images. Firstly we calculate the density of solar energy by Planck formula ,and consider the factor of atmospheric absorption.Then we can obtain the solar spectrum curve. Next we choose the app
9、ropriate laser wavelength through the combination of the solar spectrum curve and laser safety standards. At last, we get the response coefficient by multiplying the values of corresponding wavelength in solar spectrum curve and sensitive curve. We also design the laser scanning device which can be
10、used in natural environment. (2) We extract the initial value of the light stripe center. In actual measurement, the line structured light image is always affected by the random and non-random noise, in order to avoid these problems, some preprocessing operations including gray processing, image fil
11、tering and threshold segmentation must be conducted to the light stripe images. Then considering the current status of light strip center extraction algorithms, initial centers are extracted by Hildith refinement algorithm and barycenter method. Finally the extraction results of the two methods are
12、given and compared. The results show that the Hildith refinement method will lose some points, so we select the barycenter method to acquire the point cloud. (3) We propose a circumcircle method to extract the point cloud normal, and it can satisfy the requirement of both accuracy and efficiency. Af
13、ter obtaining the initial light strip centers, we need to judge the collinearity of every three-adjacent point firstly, and if it doesnt satisfy the collinearity property, the center coordinates of its circumcircle are calculated. The initial normal of every point is the connection line with its cen
14、ter coordinates of its circumcircle. At last, in order to reduce the concussion, we average every three-adjacent normal.Experiments of our method on three different light stripes show that the efficiency is increased by 3 times when compared with Hessian matrix method, and also doubles that of Sobel
15、 gradient method. In addition, the average error is less than 0.01 mm. So the circumcircle extraction method can satisfy the requirements of line structured light 3D measurement. KEYWORDS: natural environment, line structured light, point cloud, light strip center, normal, circumcircle 目 录 第一章 绪论 .
16、1 1.1 研究背景与意义 . 1 1.2 线结构光测量技术的原理 . 1 1.3 国内外研究现状 . 2 1.3.1 结构光测量的研究现状 . 2 1.3.2 光条中心提取的研究现状 . 4 1.3.3 点云法线提取的研究现状 . 6 1.4 研究的主要内容 . 7 1.5 论文组织结构 . 8 第二章 自然环境下扫描设备的激光波段选择 . 9 2.1 太阳光谱能量密度计算 . 9 2.2 大气吸收对光谱的影响 . 9 2.3 CCD/CMOS 的光谱敏感曲线的特征 . 10 2.4 激光器的安全性限制 .11 2.5 激光运动控制与形状调制 . 12 2.6 本章小结 . 13 第三章 光
17、条中心提取 . 14 3.1 激光束和线结构光的特性 . 14 3.2 光条图像预处理 . 16 3.3 光条中心提取算法 . 20 3.3.1 极值法 . 21 3.3.2 阈值法 . 21 3.3.3 Hildith 细化法 . 21 3.3.4 灰度重心法 . 22 3.4 实验结果与分析 . 23 3.5 本章小结 . 25 第四章 点云法线提取 . 26 4.1 Hessian 矩阵法 . 26 4.1.1 Hessian 矩阵的定义 . 26 4.1.2 Hessian 矩阵法提取点云法线 . 27 4.2 Sobel 梯度法 . 28 4.2.1 Sobel算子 . 28 4.2
18、.2 Sobel梯度法提取法线 . 28 4.3 外接圆法 . 30 4.3.1 外接圆 . 30 4.3.2 外接圆法提取点云法线 . 31 4.4 实验结果与分析 . 32 4.5 本章小结 . 35 第五章 总结与展望 . 36 5.1 总结 . 36 5.2 展望 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 42 作者简介 . 43 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 研究背景与意义 结构光三维测量技术是测量物体表面轮廓最普遍的方法之一，它是一种依据三角法测量原理（ 徐光祐等 1995; 段发阶等 2000; Chen Chenhuan and Avinash C Kak 1987）
19、为基础，既利用图像作为信息载体又利用可控光源的测量技术。由于该方法具有大量程、非接触、速度快、测量精度适中，光条图像信息易于提取等优点，在工业检测中得到了广泛的应用 （ 杨尉 2009） 。结构光光源可以采用激光或者白光， 选用激光作为结构光光源可大大增加图像中结构光光条与背景的对比度，便于结构光图像处理，因而得到了广泛的应用。根据测量系统中激光光源采用的结构光方式不同可划分为：点结构光法、线结构光法、多线结构光法、网格结构光法、二进制编码、灰度编码及彩色编码方法等（王宗义 2005; 李清泉 2006; 徐静珠 2012）。其中 线结构光法是一种实用而高效的结构光视觉测量方法，本研究就是基于
20、线结构光图像进行的。 通过线结构光三维扫描设备可以获取大量的点云数据， 所谓点云，就是指大量的数据点聚集在一起形成的一个集合，通常这些点会包含 坐标、法向量等信息 （李宝等 2010） 。 线结构光测量中， 从光条图像中 获取的光条中心将直接影响物体表面坐标的测量精度（ Zhang Song and Huang Peisen 2006）。在线结构光测量中使用单色激光器，它的出射光强在其截面上一般可认为服从高斯分布，光条截面中心部位能量高，而边缘能量低，理想情况下，可认为灰度值最大处为光条中心（任福元等 2006）。 但是，当被测物体表面曲率变化较大时，为了得到精确的光条中心，就需要得到 每个初
21、始中心的 法线，在法线方向进一步求解精确的光条中心。另外，精确和高质量的 基于点的绘制方法和许多表面重建算法也需要借助于精确的法向量来得到精确的重建结果。尤其是对于需要进行法向量聚合的重建算法，如多层次单位划分（ Multi-level Partition of Unity, MPU），隐式曲面重建算法，尖锐特征的检测和恢复将完全依赖可靠和精确的法向量。如果能够得到正确的法向量，即使是含有大量噪声和外点的点云的几何外形也能被感知 （李宝等 2010） 。 然而，相对于基于点的图形学领域的其他基础问题来说，法向量的精确提取一直很少被关注，目前已有的点云法线提取方法也存在精度或速度难以满足测 量需
22、求的问题。所以，在线结构光测量中，研究一种准确快速地提取点云法线的方法，对提取精确的光条中心乃至整个线结构光三维测量都有重要意义。 1.2 线结构光测量技术的原理 线结构光三维检测技术利用结构光光源照明，凸显待测物体的表面特征，然后通过基于自然环境中线结构光图像的点云法线提取 2 CCD 摄像机对产生畸变的 线 结构光光条图像进行拍摄，通过 对所拍摄的结构光光条图像进行处理，还原出待测物体的三维形貌。如图 1-1 所示。 线 结构光光源产生一线状光条，投射到被测物体表面，由于待测物体表面高度与检测平台不同，光条在物体表面形成一变形条纹，利用 CCD 摄像机采集变形条纹 图像，就得到被测物体的光
23、条图像，然后经过光条中心提取， CCD 摄像机标定，轮廓数据处理等算法的处理，最终还原出待测物体的三维轮廓（ Erik Nsset and Ross Nelson 2007）。 图 1-1 线结构光测量系统 Fig. 1-1 Line structured light measurement system 1.3 国内外研究现状 国外对于结构光测量的研究起步于上世纪七十年代（ John Henry Holland 1975; Kenneth De Jong 1975），以美国，德国和日本为主的国家开始了结构光的初步研究和尝试。国内对于结构光相关技术的研究从最近二十年才开始兴起，而且以高校为主。
24、 1.3.1 结构光测量的研究现状 （ 1）点结构光测量 Will 和 Pennington（ 1971）首先提出利用结构光单点法进行三维测量。 点结构光法（ 点结构光视觉测量方法 ） 是结构光法中一种最简单的测量方式。在点结构光方法中，点激光源发出的光束投射到被测物体表面上产生一个光点，光点经透视投射在摄像机的像平面上形成一个二维像点。摄像机的视线和光束在空间中于光点处相交，形成一种简单的三角 几何关系。通过一定的标定可以得到这种三角几何约束关系，并由其可以确定光点在某一已知坐标系中的空间位置。 点结构光法满足在线检测中快速、实时的要求。另外，由于测量中坐标系的许多参数在选取时有很大的随机性，这样就可以方便的求出传感器的结构参数。但这种点阵式扫描测量的不足是每次只能获得物体表面一个点的位置，信息量少，因此实用中多采用高速扫描 方式测量（ Sven Molkenstruck et al. 2008; Shahar Barnea and Sagi Filin 2012） 。
