1、 浙 江 省 硕 士 学 位 论 文 论文题目：基于光照复用的变光照三维采集系统的 设计与实现 授予学位学科专业：计算机技术 学科专业代码： 研究方向：智能控制系统与嵌入式软件技术 省编号： 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘 要 在实际情况下，大范围动态光场采集系统可以捕获大型或多个运动目标在不同光照方向的表面反射属性、运动轨迹及环境光照信息，为实现任意光照条件下三维场景真实感再现提供可靠的 前提保障。然而在进行变光照拍摄的过程中，由于场地范围大、光源数量多等原因，无法捕获正确、清晰的光场图像。 针对上述所存在的问题，本文设计了一种基于光照复用的变光照三维采集系统。增加拍摄时刻的光源数量，提高
2、光源利用率，降低解复用后得到的单光源图像噪声，提高光场图像质量。提出了一种基于哈达玛矩阵的新型快速光照解复用算法，将计算复杂度由 N2 降低到 Nlog2N，将光场图像解复用的运算效率提高了 26 倍。论文的主要内容如下： 第一章主要介绍了三维采集系统的国内外研究现状以及三维采集系统的研究方向与研究难点 。 第二章对三维系统光照控制采集技术进行了研究，介绍了恒光照控制系统与变光照控制系统。详细介绍了基于单光源的三维采集技术与基于光照复用的三维采集技术的优缺点，以及三维采集系统控制网络的通信方法。 第三章提出了一种基于哈达玛矩阵的光照复用采集算法，并利用哈达玛矩阵可以因式分解的特点，提出了一种基
3、于哈达玛矩阵的新型快速光照解复用算法。该算法增加了每次拍摄时的光源数与亮度，提高了采集图像的曝光度和清晰度。在保证图像信噪比的情况下，提高了光场图像解复用的运算效率。 第四章使用基于 Matlab/Simulink 的 TrueTime 工具箱搭建 CAN 网络的仿真平台。系统模拟 97 个控制节点 191 组光源变化，验证基于哈达玛矩阵的光照复用算法在三维采集系统中的可行性。并通过实验对网络通信协议在系统中系统控制实时性、光照控制正确性进行验证。 第五章对基于光照复用的变光照三维采集系统的硬件平台进行设计与实现。将本文所设计研究的基于快速哈达玛变换的变光照三维采集系统在实际的三维图像采集鸟笼
4、系统中进行了相关的变光照图像采集实验，对快速哈达玛变换解复用算法和仿真系统实验结果在实际系统中进行验证。实验结果验证了本文 所设计的光照复用采集系统的确提高了采集图像的质量和效率。图像的信噪比也从 1.826 提高到了 2.325。基于快速哈达玛变换的光照解复用方法将计算次数从 N2 降低到了 Nlog2N。同时与传统的解复用算法相比，其运算速率提高了 26 倍。 关键词： 三维采集、快速哈达玛变换、光照复用、 TrueTime、 CAN 总线 I 杭州电子科技大学硕士学位论文 ABSTRACT A wide range of dynamic light field acquisition s
5、ystem can capture large or multiple moving targets from the different surface reflection properties of light direction, movement and environmental light information, in order to provide the reliable premise and guarantee for realizing the realistic reappearance of 3D scene in arbitrary lighting envi
6、ronments. However, during variable illumination capturing, its unable to capture the correct and clear images of light fields for the wide range of venues and a larger number of light sources etc. To the above questions, this paper designs a variable illumination 3D capture system based on multiplex
7、ed illumination, which increases the number of light source in capture time, improves the using rate of light source, reduces the image noise of single light source after de-multiplexed illumination, single source of image noise, and improves the quality of images of light fields. And this paper als
8、o proposes a new fast multiplexed illumination algorithm based on Hadamard matrix, which decreases computational complexity from N2 to Nlog2N improving the computation efficiency of de-multiplexed illumination by 26 times. The following is the main content of paper: First chapter mainly introduces 3
9、D capture system on the domestic and international research as well as trend and difficulty. Second chapter studies illumination control technology in 3D capture system and introduces constant illumination control system and variable illumination control system. Moreover, it gives the details about
10、the advantages and disadvantages of 3D capture technology based on single light source and based on multiplexed illumination, and communication method of 3D capture system controlling network. Third chapter proposes a multiplexed illumination algorithm based on Hadamard matrix, also proposes a new f
11、ast de-multiplexed illumination algorithm based on Hadamard matrix exploiting factorization of Hadamard matrix. This algorithm increases the number of light source and brightness at every captures, improves the sensitometry and articulation of image capture and the computation efficiency of de-multi
12、plexed illumination in case of signal to noise ratio of image. Fourth chapter uses TrueTime toolkit based on Matlab/Simulink to build the emulation platform based on the emulation CAN network. System emulates 97 control nodes and 191 sets of light source change, verifies the probability of multiplex
13、ed illumination algorithm based on Hadamard matrix in 3D capture system, and tests network communication protocol about real time for controlling system and accuracy for controlling light in system through experiment. II 杭州电子科技大学硕士学位论文 Fifth chapter realizes hardware platform of variable illuminatio
14、n 3D capture system based on multiplexed illumination. The variable illumination 3D capture system based on fast Hadamard transform designed by this paper is experimented on relevant variable illumination image capture in actual 3D image capture cage system and tests fast Hadamard transform algorith
15、m for demultiplexed illumination and the result of emulation experiment. The results shows the multiplexed illumination method certainly improves the quality and efficiency of image capture, which increases the signal-noise ratio of the image from 1.826 to 2.325. De-multiplexed illumination method b
16、ased on fast Hadamard transform decreases the computing times from N2 to Nlog2N. Meanwhile, the rate of calculation speed has increased by 26 times than traditional method. Keywords: 3D Capture, Fast Hadamard Transform, Multiplexed Illumination, TrueTime, CAN Bus III 杭州电子科技大学硕士学位论文 目 录 摘 要 . I ABSTR
17、A CT . II 第一章 绪论 . 1 1.1 研究背景、目的及意义 . 1 1.2 三维采集系统的国内外现状 . 1 1.3 三维采集控制系统的发展趋势 . 4 1.3.1 三维采集控制系统的研究难点 . 4 1.3.2 三维采集控制系统的研究方向 . 5 1.4 课题研究的主要内容 . 6 1.5 小结 . . 7 第二章 三维系统光照控制采集技术研究 . 8 2.1 光照控制系统 . . 8 2.1.1 恒光照控制系统 . 8 2.1.2 变光照控制系统 . 9 2.2 三维采集系统光照控制技术研究 . 10 2.2.1 基于单光源的三维采集技术 . 11 2.2.2 基于光照复用的三
18、维采集技术 . 12 2.3 三维采集系统控制网络通信方法研究 . 13 2.3.1 串口通信 . 13 2.3.2 CAN 总线通信 . . 14 2.4 小结 . 14 第三章 基于快速哈达玛变换的光照复用算法 . 16 3.1 哈达玛变换与快速哈达玛变换原理 . 16 IV 杭州电子科技大学硕士学位论文 3.1.1 哈达玛矩阵原理 . . 16 3.1.2 哈达玛矩阵构造方法 . 17 3.2 基于光照复用算法的三维图像采集 . 19 3.2.1 基于哈达玛变换的光照复用算法 . 19 3.2.2 光照复用模拟实验 . 21 3.2.3 光照复用真实场景实验 . 22 3.3 基于快速哈
19、达玛变换的图像解复用 . 24 3.3.1 基于快速哈达玛变换的解复用算法 . 24 3.3.2 图像解复用实验 . 26 3.4 小结 . 27 第四章 三维采集光照控制系统软件仿真设计 . 28 4.1 系统仿真软件设计方案 . 28 4.1.1 硬件系统条件 . 28 4.1.2 仿真软件要求 . 29 4.1.3 仿真平台设计总体思路 . 30 4.2 基于 TRUETIME 的仿真软件平台搭建 . 31 4.2.1 仿真平台总体结构设计 . 31 4.2.2 CAN 通信网络模块设计 . . 35 4.2.3 主控制板模块设计 . 36 4.2.4 从控制板模块设计 . 37 4.3
20、 系统仿真结果验证 . 38 4.3.1 系统控制实时性验证 . 38 4.3.2 光照控制正确性验证 . 40 4.3.3 光照系统采集相机帧率 . 41 4.4 小结 . 43 第五章 三维采集光照控制系统硬件平台设计与实现 . 44 5.1 系统硬件设计要求 . 44 5.1.1 硬件设计目标及功能 . 44 5.1.2 硬件设计总体思路 . 44 V 杭州电子科技大学硕士学位论文 5.2 系统硬件结构 . 45 5.2.1 系统框架结构 . 46 5.2.2 照明单元 . . 47 5.2.3 采集单元 . 47 5.2.4 控制板模块 . 48 5.3 硬件系统工作原理 . 50 5
21、.3.1 硬件系统控制网络结构 . 50 5.3.2 控制系统软件设计 . 51 5.3.3 网络通信协议设计 . 54 5.4 实验结果与分析 . 56 5.4.1 图像信噪比分析 . 57 5.4.2 图像解复用时间复杂度分析 . 58 5.4.3 三维模型重建效果 . 59 5.5 小结 . 60 第六章 总结与展望 . 62 6.1 论文工作回顾 . 62 6.2 未来工作展望 . 63 参 考 文 献 . 64 致 谢 . 68 附录：作者在读期间发表的论文及参加的科研项目 . 69 VI 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章 绪论 1.1 研究背景、目的及意义 从静态的三维图像，到
22、模拟三维实际场景，再到三维动画，三维电影，以及近年出现的三维打印。科学技术的发展给我们带来你前所未有的体验，人们也希望能够在视觉感官中感受到的不再是平面的二维场景，而是与我们所处的空间一样的三维世界。 三维技术作为虚拟现实的一个重要分支，不仅仅是华丽的视觉体验，更有着非凡的现实意义。重建三维场景能够有效的应用于病人的手术治疗完成一些人工难以完成的精密手术 1；地质勘测 的研究可以通过三维场景的重建，让研究人员能够从重建的场景中对地质进行分析研究，避免工作人员进入危险地带进行勘察 2；三维技术也可以适用于文化遗址的场景复原，使得古代劳动人民的璀璨智慧能够得以传承，不至消失在漫漫的时间长河之中。同
23、时，军事演习、建筑设计、电视转播、卫星地图、游戏开发等等都将因为三维技术的成熟而带来突破性的飞跃。三维场景的建立需要从现实的场景中采集和捕获信息。因此，信息的准确性和有效性将直接影响到三维场景的重建。 光线变化是决定图像质量的关键因素之一。恒光照采集系统因为光线在沿直线传播时遇到 遮挡，使得图像光照强度发生变化。而目前的变光照采集系统又普遍因为系统可控制的光源数较少，使得重光照的误差较大。并且，单光源的光照变化模式的光源利用率很低，造成资源的极大浪费。静态采集对系统限制较多。而动态图像的采集需要考虑到系统实时性和同步性的问题。 为了解决三维采集系统的动态采集、变光照采集和多目标采集所面临的这些
24、问题，本文设计了一个基于快速哈达玛变换的变光照三维采集系统。该系统使用 97 个控制节点组成大型 CAN 网络，控制 191 组 1910 个 LED 灯的光照变化按照哈达玛矩阵规定的序列闪烁 。使用 TrueTime 工具箱进行采集系统的仿真实验，对基于光照复用的采集系统的性能进行验证。最后根据采集系统的功能需求，设计硬件控制开发板在真实的三维图像采集鸟笼系统中进行图像采集实验，对快速哈达玛变换解复用算法和仿真系统实验的结果在实际中进行验证，确保系统性能和可行性。 1.2 三维采集系统的国内外现状 最早，三维采集系统使用的是一个摄像机在拍摄场景中不停的移动，拍摄各个视角的平面图形，再将图像合成为三维图像。既耗时耗力，
