题目：采样识别三维重构关键技术研究

采样返回是我国嫦娥探月三期工程的主要任务。采样封装返回器降落到月球表面后，采样装置将对月球表面进行钻取采样和表取采样。表取采样是指在半径不小于1m，视场角不小于120°的扇形区域多点采集月壤。由于采样区域内的三维形貌未知，地面操作人员需要借助主动双目视觉三维重构系统对采样区域的表面形貌进行三维重构以便确定表取样品采集点，而后在表取采样时对采样装置末端与采样点的位置信息进行准确定位，引导采样装置对采集点的月壤进行采集。本论文从采样识别这个特殊应用背景出发，对主动双目视觉三维重构系统在实际应用时面临的几个关键技术进行较深入的研究，主要研究成果包括以下几个方面：


论文根据项目任务需求设计了系统总体技术方案，而后对系统所需的主要器件进行选型，在此基础上搭建了系统硬件实验平台并编写了对应的系统控制与显示界面，随后论文根据采样识别的任务特点，对系统在实际应用时面临的关键技术进行分析。

系统标定是三维重构的前提和基础。论文首先对摄像机成像模型和双目立体视觉原理进行理论分析，而后基于二维平面靶标实现了系统的摄像机标定和立体标定，然后建立了主动双目视觉系统的运动模型并设计了一种激光跟踪仪与立体匹配算法相结合的全局标定方案，最后为了提高全局标定的精度与鲁棒性，提出了一种激光跟踪仪靶标球镜面中心定位算法并进行了实验验证。

稠密立体匹配是三维重构的核心和难点。论文针对采样识别三维重构系统的特殊应用环境，设计了一种对匹配图像对的光照变化和摄像机曝光时间变化鲁棒的稠密立体匹配算法，并将该算法与现有的高精度立体匹配算法进行了对比分析。为提高算法的运算速度，论文基于GPU的CUDA架构对算法进行了并行加速以及相关的实验分析。

三维重构是系统需要实现的最终功能。为了验证系统三维重构的效果，论文首先设计了一种深度图伪彩色处理方案，而后实现了点云计算与优化和基于OpenGL的三维可视化设计，最后设计了一种新的三维测量的人机交互方法。实验结果表明，本论文设计的主动双目视觉三维重构系统精度高、鲁棒性好，重构的结果满足项目精度要求。