结构光多视角测量技术的研究

论文摘要

本文针对逆向工程中对复杂几何形体进行完整三维测量、获得形体真正三维模型的需求,提出一种由三个CCD摄像机和三个激光线投射器组成的多发射多接收测量结构方案。该方案以图象处理和机器视觉理论为基础,并采用了结构光测量技术作为主要手段。这种多角度投射、多方向接收的结构方案,可以有效地避免由于遮挡而产生的测量盲区,较以往的非接触测量方式,有效测量范围更大,可测量的工件类型也更多,获得的点云数据更加完整。本文的研究内容主要有以下几个方面:1.利用线结构光技术,将每个激光平面和与它相邻的CCD摄像机之间的映射关系分别进行标定。根据理想摄像机成像模型建立了二维计算机图像坐标与二维光平面坐标之间的关系,并利用单齿靶标获取标定点序列,完成对传感器系统内参数的标定。2.提出了基于标准球的传感器外参数的标定方法。建立了测量系统中各坐标系的转换关系,并求出每个线结构光测头模型的变换矩阵,实现二维光平面坐标系到三维世界坐标系的转换。在求解变换矩阵的过程中,使用了“共轭对”的概念。3.提出一种通过拟合球来确定球心作为空间固定点的方法,来求出各世界坐标系之间的平移关系,从而将不同摄像机拍摄生成的点云都统一到同一个世界坐标系下,解决了测量系统世界坐标系统一的问题。4.对结构光光条中心的提取算法进行深入研究,结合实际使用的要求,在研究了各种光条中心提取算法的优缺点之后,本文最终选择了灰度重心法来提取光条中心,并对该算法进行了一些优化,进一步提高了算法的精度。5.根据理论研究成果,在Windows XP系统平台上采用Visual C++6.0软件开发环境,开发了测量系统的控制软件,并进行了一系列的标定、测量实验。本文的创新之处在于提出一种基于结构光技术的多发射多接收测量结构,建立了测点坐标从计算机像平面坐标系到三维世界坐标系的转换关系,并且提出了通过将内外参数分别进行标定来完成整个传感器系统标定的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 三维数据测量技术概述
• 1.3 基于计算机视觉的三维测量技术
• 1.3.1 结构光测量技术
• 1.3.2 立体视觉测量技术
• 1.3.3 莫尔条纹法
• 1.3.4 从灰度图像获取形状信息的测量技术
• 1.4 线结构光视觉传感器的三维测量原理
• 1.5 复杂几何形体三维测量技术的发展现状
• 1.6 本课题的研究意义和主要研究内容
• 2 结构光多视角测量系统概述
• 2.1 系统组成和工作原理
• 2.2 结构光多视角测量系统的硬件构成
• 3 基于单齿靶标的传感器内参数的标定
• 3.1 摄像机数学模型的建立
• 3.1.1 理想摄像机成像模型
• 3.1.2 考虑镜头畸变的摄像机成像模型
• 3.2 计算机像平面坐标系与光平面坐标系之间的转换关系
• 3.3 靶标标定点的获取
• 3.3.1 确定线结构光平面的方向
• 3.3.2 标定点序列的获取
• 3.4 亚像素精度的光条中心提取方法
• 3.4.1 常用的光条中心提取方法
• 3.4.2 本文采用的光条中心提取算法
• 3.5 传感器系统内参数标定的实验及结论
• 3.5.1 实验
• 3.5.2 结论
• 4 传感器系统外参数的标定
• 4.1 坐标变换模型的建立
• 4.1.1 测量系统中各坐标系的转换关系
• 4.1.2 从世界坐标系到光平面二维坐标系的变换矩阵的建立
• 4.2 共轭对的确定
• 4.2.1 沿X 轴移动来确定共轭对
• 4.2.2 沿Z 轴移动来确定共轭对
• 4.3 传感器系统外参数标定的实验
• 5 结构光多视角测量系统的实现
• 5.1 测量系统二维到三维数据的转换
• 5.1.1 物体二维坐标到三维坐标的转换
• 5.1.2 测头世界坐标系的统一
• 5.2 测量流程及软件介绍
• 5.2.1 标定流程和测量过程
• 5.2.2 软件功能介绍
• 5.3 测量实验与误差分析
• 5.3.1 与三个光平面对应的世界坐标系之间的平移矢量
• 5.3.2 精度实验和误差分析
• 5.3.3 对复杂几何形体的测量实验
• 6 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文