彩色条纹组合编码三维测量技术研究

论文摘要

我们生活在一个三维世界中,然而摄像机拍摄的是二维图像,损失了深度信息。这在很大程度上限制了机器视觉在实际中的应用。因而如何获得蕴含了深度信息的深度图像是发展机器视觉的关键。三维测量的目的是通过深度图像获取三维物体的形状、位置和姿态,实现对客观世界的感知和理解。近年来,国内外研究人员发展了很多种三维测量方法。因为结构光空间编码方法只需要一幅图像就可以获得被测物体上可测点的三维信息,具有分辨力高、速度快和易于实现的优点而成为我们的研究热点。本文提出了一种快速获取深度信息的方法。在这种方法中,用数字式投影仪将由软件在计算机上产生的彩色条纹组合编码图案投射到被测物体上,一个与投影仪放置成一定角度的彩色CCD摄像机拍摄物体图像,通过对获得的彩色图像解码,计算得到物体的三维坐标。本文从理论上和实验上对基于彩色条纹组合编码三维测量技术进行了研究。论文在深入研究结构光三维测量技术的基础上,提出了一种用于三维测量的彩色条纹组合编码方法。这种编码方法以红、绿、蓝三原色以及它们的补色黄、品、青6种颜色作为编码条纹的基本颜色。这种编码方法具有一个重要性质即任意相邻的3个条纹颜色排列顺序是唯一的,因此解码能够实现。论文基于结构光三角法的的基本公式,建立了彩色条纹组合编码三维测量系统数学模型;提出了一种自适应阈值的彩色图像二值化方法。根据被测物体图像上像素点颜色的三个分量RGB之间的关系来确定阈值,大量实验证明这种方法对彩色图像的二值化处理得到了比较满意的效果。由于表面不连续和遮挡问题,使得一些条纹在摄像机上观察不到。针对彩色条纹丢失现象,根据所采用编码图案的特性,提出了一种自补偿解码方法。实验显示这种解码方法有效地解决了条纹丢失问题,避免了码值的误解误判。根据测量系统数学模型进行了系统误差分析,研究了系统参数与测量误差之间的关系,给出了其关系曲线。结合对测量系统遮挡特性的分析,总结出了确定系统参数的原则。论文完成了测量系统软件设计,通过软件实现了彩色条纹的组合编码,彩色图像的二值化处理,编码图案的解码,三维坐标的计算以及三维物体的重构。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪 论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 光学三维测量技术的研究现状与分析
• 1.2.1 飞行时间测量法
• 1.2.2 激光扫描法
• 1.2.3 莫尔条纹法
• 1.2.4 激光散斑图像采样法
• 1.2.5 干涉法
• 1.2.6 摄影测量法
• 1.2.7 结构光法
• 1.3 结构光法三维测量技术原理及发展动向
• 1.3.1 点结构光法与线结构光法
• 1.3.2 编码结构光法
• 1.4 课题的来源及研究的内容
• 第2章 彩色条纹组合编码原理及方法研究
• 2.1 颜色编码技术现状
• 2.1.1 一维颜色编码
• 2.1.2 二维颜色编码
• 2.2 彩色条纹组合编码原理及方法
• 2.2.1 彩色条纹组合编码原理
• 2.2.2 编码图案的Matlab 实现
• 2.3 测量系统设计
• 2.3.1 测量系统的组成
• 2.3.2 系统设计
• 2.4 彩色条纹组合编码三维测量数学模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 彩色条纹组合编码三维测量关键技术研究
• 3.1 彩色图像的二值化
• 3.1.1 彩色图像自适应阈值二值化原理
• 3.1.2 彩色图像二值化处理的Matlab 实现
• 3.1.3 二值化图像与原始彩色图像对比
• 3.2 解码方法研究
• 3.2.1 彩色条纹的丢失现象
• 3.2.2 自补偿解码方法
• 3.2.3 解码的Matlab 实现
• 3.3 三维重构方法
• 3.3.1 三维数据的计算
• 3.3.2 三维重构方法
• 3.3.3 重构误差分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 系统仿真设计
• 4.1 系统仿真方案
• 4.2 编码图案生成仿真
• 4.3 编码图像接收仿真
• 4.4 被测景物的仿真
• 4.5 本章小结
• 第5章 测量系统误差分析
• 5.1 量化误差分析
• 5.2 标定误差分析
• 5.3 位置误差的分析
• 5.4 系统参数与误差关系分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 实验结果及分析
• 6.1 仿真实验结果及分析
• 6.1.1 平面测量仿真实验
• 6.1.2 球面测量仿真实验
• 6.1.3 圆锥面测量仿真实验
• 6.1.4 阶梯状表面测量仿真实验
• 6.1.5 人体模型测量仿真实验
• 6.2 装置实验结果及分析
• 6.2.1 三维测量实验装置
• 6.2.2 平面测量实验
• 6.2.3 球面测量实验
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢