投影栅线法形貌测量中系统标定及相位去包裹的研究

论文摘要

物体表面三维形貌测量具有十分重要的应用价值,在自动化加工、产品质量检测、实物仿形、计算机辅助设计、生物医学、机器视觉、艺术雕塑等领域都有着广泛的应用前景,因此成为当今国内外的热门研究课题。投影栅线法三维形貌测量做为物体表面三维形貌测量的一种,由于其具有面场数据测量、实时性强、测量范围广的优点,更是成为三维形貌测量研究中的热点。由于投影栅线法三维形貌测量中数据点是串行处理的,后续数据点的处理要参照前面数据点的处理结果,所以很容易造成误差和错误的传播,导致整个测量数据的错误,这是影响投影栅线法三维形貌测量实用化的一个主要原因。此外如何在不需要苛刻光路条件的前提下还原出三维坐标数据也是投影栅线法三维形貌测量实用化所需要考虑的问题。本课题构建了一套完整的投影栅线法形貌测量系统,包括栅线的投影,变形栅线图的拍摄、相位去包裹、三维数据的还原及三维物体重建等,并针对影响投影栅线法形貌测量实用性的几个关键难点问题进行重点研究。本课题取得的主要研究成果如下:1根据实际实验所测结果和去包裹过程的单步显示观察,分析了去包裹中“拉线”错误的主要产生原因:对复杂表面采样（数据量、采样密度）不足。“拉线”的产生使本该连续的相位分布出现跳变,并最终使得所还原的三维数据出现错误。为解决此问题同时不降低总体测量的分辨率,本文提出了一种新的基于双频光栅投影去包裹的去包裹算法,在实际测量中取得了很好的效果。2设计了一种新的系统标定方法,通过标定拍摄摄像机和对一个标准物体的测量经过软件求解系统各个参数,并依此参数来还原三维坐标。该标定方法不需要传统方法中对系统摄像机和投影设备的位置耦合性条件要求（平行性条件和光轴相交条件）,对摄像机和投影装置没有位置上的苛刻要求,因此使系统调节简单方便,提高了测量精度,简化了测量系统结构和测量步骤。实验结果表明该标定方法,结果准确度达到了测量的要求,是一种可行性很强的标定方法。3本课题采用双摄像机拍摄的方法,减少测量盲区,扩大了测量范围。本文讨论了双摄像机拍摄中测量物体位置以及测量物体表面朝向对测量数据横纵向分辨率的影响,并给出了测量数据横纵向分辨率调整的具体算法。提出了改进的数据相加拼接算法,通过采用线性拼接方法,提高了拼接数据的质量。4编写了完整的三维形貌测量系统软件,测量软件具有实时光栅投影、图像采集、系统参数求解、三维数据还原显示等功能。软件用C++语言编写,对计算机硬件要求低,使用简单、操作方便,具有很强的实用性和可移植性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 前言
• 1.1 物体表面三维形貌测量技术
• 1.2 光学三维形貌测量技术
• 1.3 投影栅线相位法三维形貌测量技术
• 1.3.1 投影栅线傅立叶变换相位法
• 1.3.2 投影栅线相移法
• 1.3.3 两种测量方法比较
• 1.4 投影栅线法三维形貌测量目前研究热点
• 1.4.1 相位去包裹
• 1.4.2 系统标定
• 1.4.3 细微观领域的应用
• 1.5 本论文的主要研究内容及成果
• 本章小结
• 第二章 投影栅线相移法测量原理
• 前言
• 2.1 投影栅线相移法系统构成
• 2.1.1 投影移相装置
• 2.1.2 成像采集装置
• 2.1.3 控制与数据处理系统
• 2.2 投影栅线相移法光路原理
• 2.2.1 斜式投影垂直拍摄光路
• 2.2.2 垂直投影斜式拍摄光路
• 2.2.3 两种拍摄光路的比较
• 2.2.4 针对测量盲区的光路改进
• 2.3 恢复三维坐标原理
• 2.4 相移和去包裹
• 2.4.1 为什么要进行相移
• 2.4.2 等步长相移算法
• 2.4.3 相位去包裹
• 本章小结
• 第三章 相位去包裹错误分析及解决办法
• 前言
• 3.1 通过去包裹过程分析“拉线”出现的原因
• 3.2 “拉线”出现的光路原因分析
• 3.3 降低光栅频率避免去包裹错误
• 3.4 多频光栅投影去包裹
• 3.4.1 双频光栅投影去包裹
• 3.4.2 多频光栅投影去包裹
• 3.4.3 一种新的基于双频光栅投影的去包裹算法
• 3.4.4 应用新的基于双频光栅投影去包裹技术的实验结果
• 本章小结
• 第四章 投影栅线相移法系统标定与还原真实三维坐标
• 前言
• 4.1 相位差的求取
• 4.1.1 相位起始点的确定方法
• 4.2 传统的系统标定方法
• 4.2.1 传统标定方法的标定原理
• 4.2.2 摄像机的透视变换模型
• 4.2.3 传统标定方法的缺点
• 4.3 一种新的宽松光路条件下的标定方法
• 4.3.1 第一种宽松条件光路情况分析
• 4.3.2 第二种宽松条件光路情况分析
• 4.3.3 两种光路情况综合
• 4.4 具体的标定过程
• 4.4.1 超定线性方程组的最小二乘解
• 4.4.2 摄像机的标定
• 1，C₂，C₃，C₄的标定'>4.4.3 系统参数C₁，C₂，C₃，C₄的标定
• 4.4.4 标定结果验证
• 4.4.5 影响标定结果的因素分析
• 4.5 求解空间坐标系下的真实坐标
• 本章小结
• 第五章 所测点云数据横纵分辨率的统一与双摄像机测量数据融合
• 前言
• 5.1 所测数据横纵向分辨率分析
• 5.1.1 所测物体与摄像机间相对位置对横纵向分辨率的影响
• 5.1.2 所测物体表面朝向对横纵向分辨率的影响
• 5.2 摄像机所测数据横纵向分辨率调整
• 5.2.1 将数据点映射到横纵向间距统一的数据点矩阵中
• 5.2.2 数据点插值运算
• 5.2.3 空洞数据在数据插值中的处理
• 5.3 双摄像机所测数据的数据融合
• 5.3.1 双摄像机拍摄重合区域数据融合处理方法
• 本章小结
• 第六章 总结
• 总结
• 前景展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表