摄像机的成像模型和标定方法.DOC

面向投影式增强现实的几何校正方法 摘 要 增强现实是90年代初兴起的新技术和研究热点，是虚拟现实的一个重要分支。它是人们在工业、医疗、数字娱乐等应用领域对用户界面和真实影像需要的不断增强，并与计算机图形学、人机接口技术、传感技术的不断发展相结合的产物。增强现实是一种利用计算机生成的辅助信息，对用户所处的真实场景进行补充和丰富的计算机系统，这种系统生成与用户所处的现实环境相关的图形、图像和声音等信息，并将这些信息所构成的虚拟世界与用户在现实环境中所感受到的真实世界，融合为一个虚拟与真实混合并存的世界，使用户产生新的视觉、听觉以及触觉，它在军事、医疗、工业、日常生活与娱乐等领域中有着广阔的应用前景。 面向投影的增强现实技术，以其较低价的仪器设备、更自然的交互方式等优点越来越受到国内外研究者的重视。本文主要针对面向投影式增强现实技术中的几何校正问题，介绍两种校正方法：基于结构光技术的几何校正方法和基于单应性矩阵的几何校正方法。 首先介绍投影仪-摄像机模型，包括投影仪的结构和投影原理，分析摄像机的成像原理，对摄像机的标定方法进行概括和分类，给出投影仪-摄像机模型的应用实例。 其次阐述基于结构光技术的几何校正方法的原理和实现，使用Tsai标定方法对摄像机和投影仪进行标定，根据三角测量原理得到物体表面点云数据，对其进行滤波、精简和网格化，采用纹理映射的方法实现几何校正。 然后阐述基于单应性矩阵的几何校正方法的原理和实现，介绍单应性矩阵的概念和计算过程，这种校正方法将物体表面和源图像进行同等程度的分割，计算出各个对应平面之间的单应性变换关系，生成变换图像，并投影在物体表面实现几何校正。 最后对两种校正方法的实验结果进行分析、比较，指出二者各自的适用场合，并提出对两种校正技术方案的改进。 关键词：增强现实，几何校正，结构光，单应性矩阵，标定 目 录 摘 要 I 第一章 绪论 1 1.1 增强现实技术概述 1 1.2 面向投影的增强现实技术 4 1.3 几何校正方法概述 5 1.4 本文的主要研究内容与组织结构 8 第二章 投影仪-摄像机模型 10 2.1 投影仪的结构和投影原理 10 2.2 摄像机的成像模型和标定方法 11 2.2.1 摄像机的成像原理 2.2.2 摄像机的标定方法 2.3 投影仪-摄像机模型的应用 21 2.4 本章小结 22 第三章 基于结构光技术的几何校正方法 23 3.1 系统原理和结构 23 3.1.1 结构光三维视觉原理 3.1.2 结构光三维信息获取的几何原理 3.1.3 系统结构组成 3.2 摄像机标定 27 3.2.1 Tsai标定原理 3.2.2 畸变模型下的坐标变换 3.2.3 标定过程 3.3 投影仪标定 36 3.4 三维信息获取 37 3.4.1 信息获取的几何原理 3.4.2 阴影时刻和阴影边界的确定 3.4.3 计算过程 3.5 点云数据的预处理 40 3.6 基于纹理映射的几何校正 42 3.7 本章小结 45 第四章 基于单应性矩阵的几何校正方法 46 4.1 系统结构与处理流程 46 4.1.1 系统的结构组成 4.1.2 系统的处理流程 4.2 单应性变换 48 4.2.1 单应性矩阵 4.2.2 物体表面分割 4.2.3 计算单应性矩阵 4.3 生成变换图像 53 4.4 本章小结 53 第五章 实验结果与分析 55 5.1 实验环境 55 5.2 基于结构光技术的几何校正方法 56 5.3 基于单应性矩阵的几何校正方法 62 5.4 两种方法的比较分析 65 5.5 本章小结 65 第六章 总结 66 6.1 主要结论及工作总结 66 参考文献 第一章 绪论 1.1 增强现实技术概述 增强现实(Augmented Reality)的产生得益于 20 世纪 60 年代计算机图形学技术的迅速发展，是近年来国内外众多知名大学和研究机构的一个研究热点。AR 的研究最早可以追溯至 20 世纪 60 年代美国哈佛大学的 Ivan Sutherland 教授研制出的世界上第一台采用了CRT的光学透明头戴式显示器(See-Through Head-Mounted Display，简称STHMD)，用于实时显示计算机生成的图像。但是，AR研究的真正兴起是从 20世纪 90 年代初[1]。 “增强现实”中“现实”是泛指物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何实物和环境。现实及其所包含的一切实景、实物被称为真实世界、真实环境或真实场景。“增强”是指用辅助信息对真实场景进行补充和丰富，这些信息通常是由计算机生成的图形、文本、声音等，由于不是现实中的实景或实物，被称为虚拟世界(Virtual World)。增强现实是一种利用计算机生成的辅助信息（虚拟世界）对用户所处的真实场景进行补充和丰富的