结构光三维测量系统搭建及误差矫正研究

论文摘要

结构光三维测量技术是一种主动视觉测量技术,通过投影设计好的图案,再由摄像机采集变形的图案,可以计算得到被测物外表面的空间坐标值,因此可以对立体几何物表面进行测量和表征。由于其具有非接触、无损伤、精度高、速度快等优点,广泛应用于工业测量、艺术设计、虚拟.现实等多个领域。在现阶段产品的开发中,国内的结构光三维测量设备在性能上还有待提高,仍需进行深入研究。本文以提高结构光三维测量系统的性能为目标,在系统搭建、相位求解、系统标定、相位误差矫正的方向进行了研究,实现了结构光三维测量系统在测量精度和速度上的提高。结构光三维测量系统主要由摄像机和投影仪组成,本文研究了相移法结构光三维测量系统的数学建模和硬件设计,包括:根据测量的范围和精度的要求对投影仪、摄像机以及镜头等设备进行选型、实现了对DLP光学投射器的成像控制、DLP光学投射器和工业相机同步拍摄的触发控制。在软件方面设计了整个实验的测量流程,在图像处理及计算时使用MATLAB进行数据的处理,最终形成三维测量和重构系统,实现了三维重建系统的完整工作流程。结构光三维测量系统采用的编码方式决定了测量系统所能达到的对应点的测量精度。本文研究了相移法结构光测量的编码和解包裹算法,包括最常用的两种编码方法——格雷码结合相移法与多频外差法,发现现在应用最广泛的多频外差法存在容易受到噪声干扰的问题,会影响到测量的精度。针对这一问题,提出了一种基于多频外差的绝对相位反向求解的方法,该方法从最终外差相位反向求解第一组频率光栅的绝对相位,实验证明该方法可以有效减小测量过程中的噪声干扰。结构光三维测量系统标定是测量的基础,对整个系统测量的速度和精度都有很大的影响。本文研究了系统相位标定和摄像机标定的原理和方法,针对传统角点提取方法计算量大、提取速度较慢的缺点,提出了一种基于圆环阵列的系统快速标定方法,测量结果表明在保证精度的同时,其速度相比于角点提取方法提高了 93.1%。Gamma非线性误差是指投影仪投射的光栅不满足正弦分布,从而导致计算得到的物体相位与其理想相位之间产生周期性的波动误差。针对这一问题,提出了一种基于多项式拟合的gamma畸变主动矫正方法,从而达到提高测量精度的目的。其优点为:相对于gamma值预编码方法和被动误差补偿方法不局限于特定模型。通过实验对比分析计算得到的被测物体的相位分布,结果表明矫正后的平均相位误差减少了 78.07%,证实了本文设计的gamma畸变矫正算法的有效性。

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第一章绪论

1.1 课题的研究意义

1.1.1 课题的来源

1.1.2 课题的意义

1.2 常用的光学三维测量方法

1.2.1 立体视觉法

1.2.2 飞行时间法

1.2.3 激光三角测量法

1.2.4 结构光法

1.3 当前研究现状

1.3.1 结构光测量技术研究现状

1.3.2 摄像机标定方法研究现状

1.3.3 相位波动误差矫正研究现状

1.4 文章主要研究内容

第二章结构光三维测量系统数学建模及硬件设计

2.1 结构光三维测量系统数学建模

2.2 结构光三维测量系统硬件设计

2.2.1 光学投射器

2.2.2 投影光栅图像制作

2.2.3 工业相机

2.2.4 镜头选型

2.2.5 光学投射器与工业相机的连接

2.3 本章小结

第三章基于多频外差的绝对相位反向求解方法

3.1 相位移动法原理

3.1.1 基于格雷码结合相移的结构光测量方法

3.1.2 基于多频外差的结构光测量方法

3.2 基于多频外差的绝对相位反向求解方法

3.3 基于多频外差的绝对相位反向求解方法实验验证

3.4 本章小结

第四章基于圆环阵列的测量系统快速标定方法

4.1 现有标定模板存在的问题分析

4.2 基于圆环阵列的的测量系统快速标定方法

4.2.1 标定图案的设计

4.2.2 重心坐标自动提取

4.2.3 系统标定

4.3 标定实验验证分析

4.3.1 标定实验

4.3.2 标定结果分析

4.4 本章小结

第五章基于多项式拟合的gamma畸变主动矫正方法

5.1 结构光三维测量系统误差的来源

5.1.1 非线性误差

5.1.2 硬件误差

5.1.3 软件算法误差

5.1.4 结构光三维测量误差解决方案

5.2 基于多项式拟合的gamma畸变主动矫正法

5.2.1 相位波动误差分析

5.2.2 基于多项式拟合的gamma畸变主动矫正法

5.3 实验及矫正效果

5.3.1 计算机仿真

5.3.2 实际测量

5.4 本章小结

第六章结构光三维测量系统实验验证

6.1 结构光三维测量软件系统

6.2 结构光三维测量实验

6.2.1 测量步骤

6.2.2 测量案例

6.3 本章小结

第七章总结与展望

7.1 工作总结

7.2 研究展望

7.2.1 应用的推广

7.2.2 本文研究的不足

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间取得的科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 马煜中

导师: 孙进

关键词: 三维测量,结构光,多频外差法,系统标定,误差矫正,畸变

来源: 扬州大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,计算机软件及计算机应用

单位: 扬州大学

基金: 国家自然科学基金面上项目“基于非完备几何特征测量数据建模的关键技术基础研究”(No.51475409),上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室开放课题“非完备几何特征水下测量数据建模技术研究”(No.MSV201810),2016江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目“集成CAN总线通讯的非完备生物质在线视觉检测技术研究及产品开发”(No.JXQC-030),2016年度扬州市市校合作项目“基于CAN总线的机器视觉检测系统及其工程应用研究”(No.YZ2016244),江都高端装备工程技术研究院开放课题“非完备海水淡化陶瓷膜可视化检测技术及应用研究”(No.YDJD201706)

分类号: TP391.41;O439

DOI: 10.27441/d.cnki.gyzdu.2019.000272

总页数: 83

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