适用于快速三维形貌测量的结构光三维测量系统研究

摘要

采用数字光栅投影进行三维测量的方法，因具有非接触、测量范围广、高精度、高稳定性的特点，在工业质量控制、文物三维建模、生物医学、虚拟现实等领域拥有广阔的发展前景，是当前国内外科研工作者研究的热门方向。针对结构光三维重构过程中的非线性效应以及绝对相位的获取问题，本文进行了深入的研究与实验分析，并构建出一套测量快速且适应性强的结构光三维形貌测量系统。
　　本文所做工作主要围绕以下三个方面展开:
　　1)进行了结构光非线性误差的校正研究，针对非线性误差的克服问题，提出了两种解决方案。首先，本章提出了一种使用两幅二级条纹灰度图合成而成单幅三级脉冲宽度调制条纹灰度图的方法，省去了结构光进行非线性标定的过程，实现了在三级脉冲宽度调制条纹灰度图下的离焦结构光三维重构。接着，本章提出了一种利用频域数字滤波法进行结构光非线性校正的方法，该方法能够大大消除非线性效应带来的相位误差。对两种解决方案分别进行了理论分析、仿真模拟和实验验证。
　　2)提出了一种新型的二元结构光阶梯相位编码方法，该编码方法可精确确定投影光栅条纹的周期级次，与传统阶梯相位编码方法相比，同等条件下减少了投影条纹数目，提高了测量速度，在不考虑彩色投影多通道颜色混叠的影响的前提下，若将条纹调制进彩色通道，可进一步提高测量速度。通过二值化生成编码条纹，在保留传统阶梯相位测量快速的优点的前提下，针对不同正弦光栅条纹，调整相移步数和阶梯相位子区数目，具有传统阶梯相位编码所不具备的灵活性。之后本章对理论进行了模拟仿真和实物三维重构实验，三维重构结果具有较高的准确性，模拟和实验结果验证了利用该方法进行三维形貌测量的有效性。
　　3)搭建了本文所用的结构光三维重构的实验系统，分别从软硬件两方面对该系统进行了详细描述;之后研究了相位．深度映射关系以及图片校正，校正前后三维重构的实验结果对比表明相机所引起的图片畸变通过标定得到了有效的校正。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 结构光投影三维测量技术研究现状

1．2．1 立体视觉法

1．2．2 飞行时间法

1．2．3 莫尔条纹法

1．2．4 傅立叶变换轮廓术

1．2．5 相位测量轮廓术

1．3 相位测量轮廓术存在的问题

1．4 课题主要研究内容

2 相位测量轮廓术

2．1 结构光三维测量原理

2．2 相移法提取相位原理

2．3 相位全展开原理

2．4 空域相位展开

2．4．1 路径相关算法

2．4．2 路径非相关算法

2．5 时域相位展开

2．5．1 二进制编码

2．5．2 格雷码编码

2．5．3 多频外差法

2．6 本章小结

3 两种结构光三维测量非线性误差的校正研究

3．1 引言

3．2 三级脉冲宽度调制结构光编码

3．2．1 三级脉冲宽度调制结构光的替代方法

3．2．2 理论仿真和实验

3．3 频域数字滤波法

3．3．1 频域数字滤波相位非线性校正

3．3．2 仿真模拟结果和实验分析

3．4 本章小结

4 二元结构光编码方法的优化研究

4．1 引言

4．2 二元结构光编码获取阶梯相位

4．3 三维重构实物实验

4．4 二元结构光编码方法三维重构精度实验测试

4．5 本章小结

5 结构光三维重构系统

5．1 软硬件系统设计

5．1．1 硬件系统

5．1．2 软件系统

5．2 相机标定

5．2．1 坐标系

5．2．2 相机的针孔模型

5．2．3 相机的畸变模型

5．2．4 相机标定

5．3 本章小节

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

作者简历及科研成果