基于现场标定的编码结构光三维快速测量系统的研究

论文摘要

近年来,采用结构光方法实现物体表面轮廓三维反求测量技术得到快速发展,它的特点是对环境要求低,易于实现,测量精度高以及测量范围大。而将编码同结构光相结合的编码结构光方法不仅具有结构光方法的优点,而且还解决了结构光方法中条纹难以区分的问题,因此越来越受到研究人员的重视。目前,它已经广泛应用于计算机辅助设计与制造、逆向工程、工业检测及虚拟现实等领域。本文针对编码结构光用于物体三维表面轮廓测量技术中的关键技术问题进行了深入的研究,主要完成了以下研究工作:1.针对本系统的特点,提出了一种操作简便的三维测量系统标定方法,标定过程只需要一块可自由移动的共面靶标,即可完成摄像机与投影仪以及相互之间的位置关系的标定。2.针对本系统的投影部分,提出利用基于交比不变的原理标定投影仪镜头畸变参数,标定过程只需投影一幅靶标图像,就可以求解出投影仪镜头的畸变参数。3.根据测量系统的工作原理,完成了软件系统各个功能模块的软件编程。测量试验表明系统各项性能指标达到了设计要求。4.本文以空间点,平面,圆柱,以及异形瓶,和人脸面具为测量样本,验证了该系统的测量精度及实用性。5.分析了影响该测量系统精度的主要因素及提高精度的相关对策,对编码结构光方法的应用性研究起到推动作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 引言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 三维物体表面轮廓测量的应用领域
• 1.2.2 光学三维测量技术简介
• 1.3 编码结构光测量技术的简介
• 1.3.1 编码结构光测量技术中的编码策略
• 1.3.2 国外编码结构光测量的应用现状
• 1.3.3 国内编码结构光测量的应用现状
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 本文的结构安排
• 2 编码结构光测量系统的原理及关键技术
• 2.1 测量系统简介
• 2.2 系统的测量原理
• 2.2.1 编码原理
• 2.2.2 编码结构光的测量原理
• 2.3 系统设计所涉及的关键技术
• 2.3.1 测量系统的标定方法
• 2.3.2 图像特征信息的提取方法
• 2.4 本章小结
• 3 测量系统的标定方法研究
• 3.1 摄像机结构参数的标定
• 3.1.1 摄像机的标定方法选择
• 3.1.2 摄像机的线性模型
• 3.1.3 摄像机非线性模型
• 3.2 投影仪结构参数的标定
• 3.2.1 投影仪的透视投影模型
• 3.2.2 投影仪与摄像机之间的坐标关系
• 3.2.3 投影仪的内外参数标定过程
• 3.3 交比不变的投影仪镜头畸变参数的求解
• 3.3.1 透视投影中的交比不变性质
• 3.3.2 利用交比不变性标定投影仪镜头畸变参数
• 3.4 本章小结
• 4 编码结构光测量系统的软件实现
• 4.1 系统测量的流程
• 4.2 系统标定软件设计及实现
• 4.2.1 摄像机内部参数标定模块实现
• 4.2.2 投影仪内部参数标定模块实现
• 4.2.3 输出标定参数文件
• 4.3 系统测量软件设计及编程
• 4.3.1 图像的投影与采集
• 4.3.2 图像处理
• 4.3.3 生成点云数据
• 4.4 本章小结
• 5 实验及误差分析
• 5.1 系统标定实验
• 5.1.1 摄像机参数标定方法实验
• 5.1.2 投影仪参数标定方法实验
• 5.1.3 基于交比不变的投影仪镜头畸变参数实验
• 5.2 系统精度测量实验
• 5.2.1 空间点的验证
• 5.2.2 平面的验证
• 5.2.3 标准圆柱体的验证
• 5.2.4 系统的实际样本测量
• 5.3 误差分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论
• 7 展望
• 8 参考文献
• 9 攻读硕士学位期间发表论文情况
• 10 致谢