基于奇异算子与最短路径搜索技术的三维测量方法研究

摘要

在非接触三维测量领域中，编码结构光方法一直是研究人员的研究重点，其中格雷码与线移条纹相结合的编码方式以其测量相对准确、采样密度和分辨率较高等优势被广泛应用。为此，本文针对格雷码与线移条纹结合的三维测量方法进行研究，提出了基于边缘奇异算子和中心奇异算子的最短路径搜索方法分别对格雷码边缘与线移条纹中心进行检测与定位，实现三维测量精度的提高。本文主要研究工作如下:
　　首先，对应用于三维测量的最短路径搜索技术、格雷码边缘检测及线移条纹中心检测的奇异算子进行研究。本文分别对格雷码边缘和线移条纹中心各自的信号特征进行分析研究，针对格雷码边缘特征设计边缘检测奇异算子并构建边缘代价函数，针对线移条纹中心特征设计中心检测奇异算子并构建中心代价函数;同时以欧拉距离约束作为相邻关键点距离约束条件，以快速行进算法为基础，给出计算最短路径搜索技术中最小能量图的方法，再由最短路径自动跟踪得到准确的格雷码边缘和线移条纹中心定位。
　　其次，搭建格雷码与线移条纹相结合的三维测量系统。基于格雷码和线移条纹编码结构光三维测量原理与其编解码原理，构建三维测量系统数学模型;选取系统各模块设备搭建三维测量系统平台，并利用三维测量系统数学模型对平台中摄像机和投影仪进行标定实验。
　　最后，针对本文提出的边缘和中心检测定位方法进行精度分析，并将其结合到三维测量中进行实验。针对三维测量中的多种像素宽度的格雷码边缘进行实验定位，通过定位直线的直线度、平行度和等间距度对定位精度进行分析，并与交点法的边缘定位结果进行对比，实验结果表明本文所述方法定位综合误差均小于0.350pixel;在对4像素宽度的线移条纹中心定位实验中，本文中心检测方法较灰度重心法定位精度高，且综合误差小于0.150pixel;针对标准平面三维测量结果的平均均方误差为0.201mm;最后在对球面与花瓶表面进行三维测量中，本文方法能够较平滑且细致地反映物体的表面形状及纹理特征。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 结构光三维测量研究现状

1．2．2 边缘检测研究现状

1．2．3 光条中心检测研究现状

1．3 本文主要的研究内容

第2章 实验系统平台搭建及标定

2．1 格雷码与线移条纹编码结构光三维测量原理

2．1．1 边缘格雷码编解码原理

2．1．2 线移条纹编解码原理

2．1．3 三维测量系统数学模型建立

2．2 三维测量系统平台搭建

2．3 系统标定

2．3．1 摄像机标定

2．3．2 投影仪标定

2．4 本章小结

第3章 结合奇异算子的最短路径搜索技术的边缘与中心检测方法研究

3．1 整体方案设计

3．2 最短路径技术原理

3．3 基于奇异算子的最短路径代价函数构建

3．3．1 格雷码边缘检测代价函数构建

3．3．2 线移条纹中心检测代价函数构建

3．4 最短路径提取方法研究

3．4．1 关键点检测与路径跟踪

3．4．2 停止条件

3．5 本章小结

第4章 实验及结果分析

4．1 边缘检测对比实验

4．1．1 与经典边缘检测算子对比实验

4．1．2 与交点法对比实验

4．2 中心检测对比实验

4．3 平面测量实验及误差分析

4．4 球面测量实验

4．5 花瓶测量实验

4．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢