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基于正弦光栅的结构光测量技术研究

作　者: 宋成业
导　师: 陆军
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 结构光正弦条纹图像编码解码三维检测
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

测量是人类认识世界的重要的方法，而且是科学技术发展的重要基础。随着制造业的发展,对测量任务提出了大范围、高精度、现场测量,甚至动态测量的要求。传统的三维测量技术无法满足这一要求,在这种背景下,视觉测量技术得以产生并成为一个重要的研究方向。视觉测量技术以图像为信息的载体,和计算机技术紧密的结合,具有非接触、快速测量、高精度等特点,已被广泛应用于各种测量任务中。结构光视觉测量属于计算机视觉测量的范畴，最近几年吸引了大批学者对其进行研究。但是，在实际应用过程中该技术依然有诸多限制，比如结构光测量技术不能很好的适用于动态场景、实时性还不能让人满意等。结构光视觉测量系统采用一台数字投影仪来替换双目视觉中的一台摄像机。本文主要研究了基于正弦光栅的时间编码方法，利用正弦光栅绝对相位的唯一性来解决双目立体视觉的立体匹配难题，从而实现物体三维测量。本文主要研究了正弦光栅结构光的编码和解码工作，投射正弦光栅的编码和解码工作直接影响到检测的精度、鲁棒性甚至成功度。研究内容主要包括：首先，研究了正弦光栅的生成方法。正弦光栅是编码方法的基础，正弦光栅的生成有两种方法，一种是使用机械的光栅胶片，这种方法的优点是精度非常高，但其灵活性差，另一种方法是使用投影仪投射离散化后的正弦光栅，这种方法成本低、灵活性高，并可以通过编程来生成正弦波形，但是，生成的正弦波形离散化后会有一定的精度损失。其次，研究了正弦编码光栅的编码及解码方法。通过对被测物体投射八副不同初始相位的正弦光栅对被测物体表面上可观测点进行编码，然后，摄像机采集到编码图像，并对其进行解码，根据绝对相位的唯一性对投影仪图像与摄像机图像进行立体视觉匹配。在进行解码的过程中，得到一副二维的相位主值图，但是得到的相位主值都是包裹相位，即相位值都在[-π,+π]之间，于是本文又研究分析了各种相位展开方法，本文最终使用枝切法结合洪水填充法对其进行相位展开，得到了很好的展开效果。再次，根据解码之后的结果结合结构光测量系统的标定结果，来计算获得被测物体的表面可测点的坐标，得到被测物体表面的三维点云图像，针对本文提出的方法，以一个圆柱体作为待测目标，做了一个三维重构实验，并得到该圆柱体的三维点云图像及三维面形图像，利用三维面形图像的一个切面图求解得到测量得到的圆柱体的直径，结合实际的直径值分析了实验结果。实验结果证实了本文论述方法的有效性。最后，分析了本系统的误差来源，并介绍了本文所采取的方法来改善测量的精度。结构光三维测量系统必然存在着这样那样的测量误差，为了更好的改进测量系统以及最大限度的降低测量误差，本文又对误差进行了分析。本章首先介绍了光学三维测量中误差分析及补偿的研究现状，然后针对本章的具体测量系统分析了误差的来源及一些改善方法。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-11
第1章绪论  11-20
  1.1 背景和意义  11
  1.2 三维轮廓测量方法简介  11-17
    1.2.1 干涉测量法  12-13
    1.2.2 飞行时间法  13
    1.2.3 立体视觉法  13-14
    1.2.4 结构光三维测量法  14-17
  1.3 三维轮廓测量的应用领域及存在的问题  17-18
    1.3.1 三维测量的应用领域  17-18
    1.3.2 三维轮廓测量存在的问题  18
  1.4 本文的主要研究内容  18-20
第2章结构光测量系统的数学模型与测量原理  20-33
  2.1 结构光测量系统的数学模型  20-24
    2.1.1 参考坐标系  20-22
    2.1.2 摄像机模型  22-24
  2.2 相位测量法的原理介绍  24-26
  2.3 相位提取方法  26-31
    2.3.1 傅里叶变换法(FTP)  27-28
    2.3.2 卷积解调法(DCM)  28-29
    2.3.3 相移法  29-31
  2.4 相移法测量的具体步骤  31
  2.5 本章小结  31-33
第3章光栅编码与解码  33-48
  3.1 正弦光栅的生成  33-34
  3.2 正弦光栅的编码  34-35
  3.3 图像预处理  35-37
  3.4 编码正弦光栅的解码  37-44
    3.4.1 相位展开的原理  37-38
    3.4.2 相位展开起始点的确定  38-39
    3.4.3 包裹相位图中的噪声点  39-40
    3.4.4 传统相位展开方法介绍  40-41
    3.4.5 抗噪相位展开方法  41-44
  3.5 点的匹配  44-47
    3.5.1 匹配的原理  44
    3.5.2 传统的匹配方法  44-45
    3.5.3 利用光栅投影的匹配方法  45-46
    3.5.4 利用相位约束进行匹配  46-47
  3.6 本章小结  47-48
第4章测量系统实现与实验分析  48-58
  4.1 三维重构简介  48-49
  4.2 结构光测量系统  49
  4.3 实验  49-55
  4.4 实验结果分析  55-57
  4.5 本章小结  57-58
第5章测量系统误差分析  58-63
  5.1 光学三维测量误差相关技术研究现状  58-59
  5.2 误差来源分析  59-62
    5.2.1 结构光编码方式的选择  59
    5.2.2 光学元器件的选择  59-61
    5.2.3 测量条件的设定  61
    5.2.4 图像处理  61-62
    5.2.5 测量数据的三维重建  62
  5.3 本章小结  62-63
结论  63-64
参考文献  64-69
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  69-70
致谢  70

基于正弦光栅的结构光测量技术研究

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