1、 基于数字成像的物体表面轮廓的提取和分析- 1 -摘 要图像由于携带丰富的信息得到人们的青睐，而目前获取图像的方法有拍照，视屏截图，利用计算机产生彩图，激光扫描 等等。从图像中获取景物的三维1信息属于一个多学科交叉的研究领域,它涉及到射影几何学、数字图像处理、计算机图形学、计算机视觉等许多学科的理论,是目前研究的热点之一。三维重建就是通过二维图像中基元(如点、线、面)来恢复目标的三维空间信息,需要研究三维空间中点、线、面的三维坐标与二维图像中对应点、线、面的二维坐标之间的关系,实现定量分析物体的大小和空间物体的相互位置关系。其主要过程是通过对图像的特征提取、特征匹配、图像关键特征的重建、三角化
2、以及数据融合生成物体完整的三维结构。这种三维信息或三维模型在虚拟植物可视化、数字娱乐、产品外观设计、虚拟场景的模拟等诸多领域具有广泛的应用价值。本文提出了利用数字图像处理的方法对图像进行处理以获得目标图像的轮廓，并得到目标图像的轮廓关键点上的坐标，这对接下来的三维重建目标十分关键。在本文中图像采集之后，首先将其数字化。数字化之后，计算机利用数字图像处理技术对图像进行彩色预处理、去除背景、图像平滑、彩色转灰度、图像锐化、灰度二值化、腐蚀膨胀、滤波、轮廓提取等处理，并且给出每步处理的图像结果。关键词： 数字成像； 图像处理； 三维重建； 轮廓； 坐标基于数字成像的物体表面轮廓的提取和分析 - 2
3、-AbtractImage which due to the rich information to get the favour of people，At present, image acquisition methods are taking pictures, screen shots, and produce images by computer, laser scanning etc.Three-dimensional information obtained from two-dimensional images is an interdisciplinary research
4、field, it involves many subjects of projective geometry, digital image processing, computer graphics, computer vision theory, is a research hotspot. Three-dimensional reconstruction is through 2D image primitives (such as point, line, surface) three-dimensional spatial information to restore the tar
5、get, need to study three-dimensional point, line, surface 3D coordinate and 2D image corresponding points, lines, surfaces two-dimensional coordinate relationship, relationship between size and space objects to realize quantitative analysis of objects the. The main process is through the feature ext
6、raction, feature of image matching, reconstruction of key characteristics, triangulation and data fusion to generate complete object three-dimensional structure. This 3D information or 3D models have wide applications in virtual plant visualization, digital entertainment, product design, virtual sce
7、ne simulation etc.This paper proposes the method of digital image processing to deal with the image we have got in order to obtain a target image contour, and get the coordinates of key points on the contour of the target image, which play a key role on the next step of three-dimensional reconstruct
8、ion . In this paper we should firstly digitize the image acquisition, After digitaliztion, computer will make use of digital image processing technology for pretreatment, remove the background color, image smoothing,color to gray, image sharpening,gray value of two, corrosion expansion, filtering, c
9、ontour extraction, and other image processing, and gives the result among erey steps of image processing.Key words : Digital imaging； image processing； 3D reconstruction； contour； coordinate基于数字成像的物体表面轮廓的提取和分析 - 3 -目 录摘要 .1Abstract .2目录 .3第一章 绪论 .51.1 论文研究的背景 .51.1.1 三维测量技术的背景 .51.12 数字图像处理的发展情况 .61
10、.2 数字成像与轮廓提取技术在国内外的发展 .71.3 论文研究的主要内容 .71.4 论文的安排 .8第二章 光学成像系统和图像系统的设计 .82.1 光学成像系统的搭建 .82.1.1 摄像系统的方案选择 .82.1.2 摄像机的参数选择 .132.1.3 光照系统的设计 .142.1.4 光学成像系统的搭建效果 .162.2 摄像机的标定 .162.2.1 摄像机的标定原理 .162.2.2 摄像机的标定过程 .172.3 图像采集 .182.3.1 图像采集的工作过程 .182.3.2D-S4004HC 图像采集卡 .192.3.3PCI-2312 光电隔离 DI/D0 卡 .202.
11、3.4 软件设计流程 .21第三章 数字图像处理的基本理论 .233.1 数字图像处理的基本知识 .233.1.1 数字图像的表示方法 .243.1.2 数字图像的颜色模型 .253.2 图像平滑 .253.2.1 中值滤波 .263.2.2 均值滤波 .263.3 图像锐化 .273.3.1 一阶微分运算 .273.3.2 基于拉氏算子的图像锐化处理 .283.4 图像表示方法相互转化 .293.4.1 彩色图像转为灰度图像 .293.4.2 灰度图像二值化 .293.5 二值图像的形态学处理 .303.5.1 图像膨胀 .303.5.2 图像腐蚀 .30基于数字成像的物体表面轮廓的提取和分
12、析 - 4 -3.6MATLAB 软件的简介 .31第四章 数字图像处理的实现 .324.1 图像的读取与显示 .334.2 彩色图像预处理 .334.3 彩色图像转为灰度图 .344.4 图像的锐化与边缘检测 .354.4.1 图像的锐化 .354.4.2 图像的边缘检测 .354.5 灰度图像的二值化 .364.6 二值图像的处理 .374.6.1 腐蚀膨胀处理 .374.6.2 二值图像的中值滤波 .384.6.3 连通域标记法滤波 .394.6.4 水杯各分面的轮廓提取 .414.7 提取水杯分面的轮廓坐标 .434.7.1 建立四个分面的二维坐标系 .43 4.7.2 四个分面的三维
13、坐标系 .444.7.3 选取特征点 .44第五章 系统介绍与误差分析 .465.1 系统各环节的误差分析 .465.1.1 仪器产生的误差 .465.1.2 数字图像处理过程中的误差 .465.1.3 环境引起的误差 .47第 6 章 总结与展望 .48参考文献： .49基于数字成像的物体表面轮廓的提取和分析 - 5 -第一章 绪论1.1 论文研究的背景1.1.1 三维测量技术的背景21 世纪是信息化的时代，而在信息学研究中以图像为载体的信息处理占据重要位置，图像工程 已经渗透到各个学科，从工业机器上的视觉检测，医学2上的病变诊断，多媒体通信与娱乐，等各个方面都有巨大的用途。其中数字成像系统
14、应用十分广泛。现在这种技术可以被用于地形数据的可视化，这样可以由二维等高线重构出具有光照效果的三维地形图;还有在医学方面比如CT/MRI(核磁共振成像)可以应用于人体断层解剖图像的可视化,同样是得到一个序列的二维轮廓线来重构三维形体,比如人的血管、神经等。三维测量技术是近年来几何量测量技术中的重点研究领域，该技术以获取被测物体三维轮廓数据为目的，主要包括数据测量与数据后续处理。伴随着光电传感器件以及计算机技术的日趋成熟，三维测量技术得到了不断丰富和发展，越来越广泛的应用对该技术的发展也提出了更新的要求，同时催化了一些相关技术领域的发展，如摄像机标定技术，图像工程，数据补偿技术，颜色渲染技术，测
15、量视角自动选择技术等等。1.1.2 数字图像处理的发展情况根据激光扫描的物体尺寸是在一个相对稳定的范围之内的特点。由此就产生了通过分析目标物体的图像信息，来完成图像面的提取和关键点坐标的提取，而代替人工提取关键点坐标的过程。产生这些想法的原因主要是因为数字图像处理技术 的飞速发展，下来简单介绍一下数字图像处理的发展情况。34图像是人类视觉的基础，是自然景物的客观反映，是人类认识世界和人类本身的重要源泉。它所携带的巨大信息量可以将客观事物的原形真实地展现在人们的眼前。图像可以分为模拟图像和数字图像。人眼看到的任何自然界的图像都是连续的模拟图像，它的形状和形态表现由图像各位置的颜色所决定。数字图像
16、是由模拟图像经过采样、量化、编码等步骤离散化得到的。由于计算机只能处理数字信息，因此必须把模拟图像转化为数字图像之后，才可以进行处理。数字图像处理是指通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。广义的图像处理技术，还包括了图像理解、图像分析、图像识别，等等。基于数字成像的物体表面轮廓的提取和分析 - 6 -数字图像处理主要应用于下面一些领域 ：5(1)通信。通信应用包括图像传输、电视电话、电视会议、数字图像处理技术主要用于图像压缩甚至在图像理解的基础上进行压缩。(2)宇宙探测与遥感。由于太空技术的发展，需要用到数字图像处理大量的星体图片；同样遥感也需要此项技术，
17、这可以应用于地形地质，矿藏探查，森林、水利、海洋、农业等资源调查，自然灾害预测，气象卫星云图处理，以及军事目标识别。(3)生物医学领域。数字图像处理在生物医学工程方面的应用十分广泛，而且很有成效。除了 CT 技术之外，还有一类是对医用显微图像的处理分析，如红细胞、白细胞分类，染色体分析，癌细胞识别等。此外，在 X 光肺部图像增晰、超声波图像处理、心电图分析、立体定向放射治疗等医学诊断方面都广泛地应用图像处理技术。(4)工业生产中的应用。在生产线对产品及部件进行无损探伤是图像处理的重要应用领域。主要有产品质量检测、生产过程的自动控制、CAD/CAM 等。经过上述对数字图像以及其领域的阐述，我们知
18、道数字图像的应用范围十分广泛，因此可以将数字图像处理的方法引入到激光扫描图像处理中来。通过获取激光扫描对象的图像，再用数字图像处理的方法对图像进行处理，获取关键点位置坐标，以达到目标物体三维重建的目的。 1.2 数字成像与轮廓提取技术在国内外的发展视觉信息作为人类获取外界信息的主要手段，据分析，人类通过视觉获取的信息占其总获取信息量的 70%80%左右。现在的信息处理，以图像的二维处理和计算机视觉的三维图像处理已在蓬勃发展，即为有效的例证。图像处理的应用领域已经扩展到人类生活和工作的各个方面，以图像处理为工具的轮廓提取也已经渐渐增加起来。轮廓提取与表面重建是计算机视觉中的重要研究课题，其在虚拟
19、现实、自控车辆、机器人环境分析、监控系统中的物体跟踪与识别、生物医学图像处理、工业在线自动检测、形状反求等方面有着广泛的应用前景。反求和重构的一种测量方法，是目前国内外研究的热点。根据断层图像提取的实体轮廓可以通过表面基于数字成像的物体表面轮廓的提取和分析 - 7 -重建 得到物体的 CAD 模型，或直接应用于快速成形系统。 近年来，将物理原9理引入物体的形状恢复吸引了学者们的研究兴趣，基于可变形模型的轮廓提取与表面重建就是其中的一类。可变形模型可视为在内力和外力作用下的能量极小化样条模型，内力来自几何模型，约束它的形状；外力来自图像特征，引导它的行为，将其吸引至图像特征处。因此，基于可变形模
20、型的断层图像轮廓提取与表面重建研究，在科学研究及工程应用中有着重要的意义。 1.3 论文研究的主要内容论文研究的对象是一个具有明显棱角的物体，因此本论文中根据实际情况以普通水杯为例，来详细地阐述怎样根据数字图像处理的方法获取它的分面信息，然后根据不同面的信息，怎样获取各个面的关键坐标点的值。首先要根据目标物体的形状信息，来确定怎样搭建光学成像系统。光学成像系统首先要保证必须得到水杯的各个面的具体信息，所以成像系统选择的是数字摄像机在物体正面、侧面、背面以及顶面的扫描，而激光扫描仪的选择将直接影响到水杯的成像质量。采集回来的图片要经过一系列数字图像处理的工作，首先进行目标物体的提取、彩色转灰度、
21、图像平滑、锐化、二值化、膨胀腐蚀、二值滤波等得处理，得到到效果比较好的二值图像，然后再二值图像的基础之上，选择比较理想的轮廓提取方法得到图像的轮廓。图像的轮廓得到之后，要根据二值图像经过滤波之后的图像，确定产品的分面信息以及分面之后得到各个面的关键点的坐标。上述工作完成之后，还需要讨论整个系统所产生的误差，本文给出了减小误差的方法。最后得出通过对物体的图像进行数字图像处理能够完成对目标物的三维重建与恢复工作。1.4 论文安排论文一共分为六个章节，下面对每个章节做个概述。第一章 绪论。主要介绍了论文的研究背景、目的和意义，以及本论文的章节安排。第二章 图像采集卡对图像的采集。主要介绍了摄像机系统
22、方案。第三章 数字图像处理的基本理论。本章介绍了数字图像处理的基本知识，基于数字成像的物体表面轮廓的提取和分析 - 8 -图像表示方法之间的转换，典型的数字图像处理的算法比如图像平滑/滤波、腐蚀膨胀等以及图像处理实现的软件平台。第四章 数字图像的实现过程。本章从图像的读取开始，根据图像的特点结合上一章图像处理的基本理论，对图像进行平滑锐化、膨胀腐蚀、图像滤波、轮廓提取以及面坐标生成等处理，接着根据各分面的相互对照关系，从二维坐标系映射出三维坐标系，便可以得到轮廓的三维坐标。第五章 结果分析和误差分析。本章根据论文的结果，分析了系统的误差以及产生误差的原因，并针对这些误差提出的解决方案。第六章
23、总结和展望。主要讨论了论文的成果和不足，有待于以后的改进。基于数字成像的物体表面轮廓的提取和分析- 9 -第二章 光学成像系统和图像采集系统的设计在这一章，为了达到用数字图像处理的方法对水杯轮廓进行提取的目的，就必须设计合理的图像光学成像系统，很好地完成对图像数据的采集工作。本章主要介绍两个方面的内容，一个是光学成像系统的搭建，它包括摄像系统的配置和光学系统的设计；另一个方面叙述了图像采集系统的实现过程，以及图像采集工作的软件设计流程。本章的框图如下图所示：物体位置检测输入输出 I / O 卡计 算 机图像采集卡光照系统摄像系统图像采集系统光学成像系统图 2.1 图像的光学成像系统和图像采集系
24、统2.1 光学成像系统的搭建在图像光学系统中包括摄像系统和光照系统。其中摄像系统包括摄像机系统的方案选择以及摄像机的参数选择。光照系统主要介绍了光照的设计问题。2.1.1 摄像系统的方案选择 在本论文中，使用的是 CCD 摄像机，结合论文的目的，本系统采用了双目测量的原理。由于有极线几何原理和光学三角形原理的理论支撑，基于双目立体成像原理的三维测量方法具有稳定可靠、精度高、速度快等优点, 目前已经广泛应用于逆向工程、物体识别、工业质量检测及机器人自导引等领域。双目测量基本任务之一是从相机获取的图像信息出发，计算被测对象在三维空间中的几何信息，并由此进行被测对象的识别操作，而空间被测对象表面某点
25、的三维几何位置与其在图像中对应点之间的相互关系是由摄像机成像的几何模型决定的，摄像机成像的几何模型是由两摄像机的相对位置和他们在世界坐标系中基于数字成像的物体表面轮廓的提取和分析 - 10 -的三维位置和方向决定的。在本系统的双目测量中，两相机的相对位置可有两种选择，一种是两相机放置在同一平面内，这样两个相机一般会有共同的视场区，然后通过一系列的算法重构出被测对象的三维信息。这种放置方式构成了传统的经纬仪三维测量系统的测量模型。而另一种放置方式是两相机相互垂直交叉放置，一个相机测量一个面的形状信息，然后通过两个相机的相对位置来构建被测对象的三维坐标信息，在这种放置方中，两相机一般没有共同的视场
26、区，这种测量方法的基础其实就是单目测量，然后通过两组单目测量系统进一步构建三维测量系统，严格的说该方法不属于三维测量的方法，该方法一般适用于被测对象具有对称性的场合。下面分别介绍下两种方法的测量原理。(1)经纬仪三维测量系统 8平行放置法是由人类视觉感知模型得到的启示：可以利用两个相机代替人眼，从而构成了三维视觉测量系统。该模型的相机安装位置和被测对象的位置关系如图2.2所示：P 1 P 2 PO1O2Oc 1Oc 2Xc 1Xc 2Yc 1Yc 2Zc 1Zc 2X1Y1X2Y2图2.2 经纬仪三维测量系统模型现假设物理坐标系 OXYZ 和左相机 CCD1 的坐标系重合，p 为空间被测对象上的任何一点，p 点在两幅图像上的成像点为 (u1,v1)和 ( u2,v2)，则根据p摄像机透视变换模型有(2.1)110cxcycXufuZvvYZ
