基于多频外差的结构光三维重建方法研究

摘要

结构光三维测量技术具有非接触式、高效率和高精度等优点，被广泛应用于3D打印、生物医学、虚拟现实和工业检测等新兴技术领域中。其中，傅里叶变换轮廓术和相位测量轮廓术为最具代表性的测量方法，也是目前的研究热点。本文选用相位测量轮廓术作为研究对象，以提高测量精度、抗噪声性能和稳定性为目标，对系统非线性响应相位误差补偿以及多频外差法的相位误差校正方法进行了深入研究。具体研究内容如下：　　首先，介绍了相位测量轮廓术的基本原理，包括相移法、多频外差法、相机标定和相位-三维点云映射方法。从理论上分析了多频外差法的相位误差主要来源于系统非线性响应以及环境噪声，为后续相位误差校正方法提供理论基础。　　其次，本文主要从两个方面对相位误差进行抑制和校正。一方面，采用双四步相移法抑制非线性响应造成的相位误差，其原理是两组具有一定相移的光栅条纹产生的相位误差可相互抵消。另一方面，针对多频外差法相位展开过程引起的相位误差，提出了基于多级条纹级数修正的校正方法。方法具体流程如下：采用叠加光栅条纹的相位周期对第一级条纹级数进行粗修正；通过优化量化取整函数并采用误差绝对相位对第二级条纹级数进行精细修正；再根据修正后的条纹级数计算更为精确的目标绝对相位。　　最后，为了验证本文方法的有效性，搭建了结构光三维测试平台。在测试平台上分别采用传统外差法和本文方法对平板和电路板进行三维重建实验，并对实验结果进行了对比分析。实验结果表明，本文提出的校正方法能有效抑制多频外差法的相位误差，有助于提高相位计算精度，从而提高三维重建的精度和可靠性。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 选题研究背景和意义

1.2 结构光三维测量技术的国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文主要内容及组织结构

第 2 章结构光测量方法流程及实验平台的搭建

2.1 相位测量轮廓术的几何模型

2.2 相位测量轮廓术的基本流程

2.2.1 结构光图案的编码与采集

2.2.2 包裹相位的计算

2.2.3 绝对相位的计算

2.2.4 相位-三维点云的映射关系

2.2.5 三维重建

2.3 测量平台的搭建

2.3.1 搭建实验平台

2.3.2 测量设备选型

2.4 相位误差的主要来源

2.5 改进后的相位测量轮廓术流程

2.6 本章小节

第 3 章基于多频外差法的相位计算及误差分析

3.1 相移法的基本原理

3.2 相位展开算法及分析

3.2.1 格雷码-相移法

3.2.1 多频外差法

3.3 多频外差法相位误差的主要来源

3.3.1 系统非线性响应引起的相位误差分析

3.3.2 多频外差法相位展开过程引起的相位误差

3.4 本章小结

第 4 章基于多频外差法的相位误差校正方法研究

4.1 非线性响应相位误差抑制方法

4.1.1 仿真分析

4.2 基于多级条纹级数修正的相位误差校正方法

4.2.1 基于周期判别的第一级条纹级数修正方法

4.2.2 基于误差绝对相位的第二级条纹级数反向修正方法

4.3 本章小结

第 5 章相位-三维点云映射和三维重建实验

5.1 相机标定方法

5.1.1 相机成像模型

5.1.2 相机畸变模型

5.1.3 相机标定原理

5.1.4 相机参数标定结果

5.2 相位-三维点云映射参数的标定

5.2.1 相位-三维点云映射模型的建立

5.2.2 相位-三维点云映射方法流程

5.2.3 相位-三维点云映射参数的标定结果

5.3 三维重建实验及相位误差分析

5.3.1 平板测试实验

5.3.2 电路板测试实验

5.3.3 相位误差分析

5.4 本章小结

总结和展望

1、工作总结

2、工作展望

参考文献

致 谢

附录 A 攻读学位期间所发表的学术论文及获奖情况

附录 B 攻读学位期间参加的科研项目