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结构光栅解相技术与多视角测量数据拼接

作 者: 黄磊杰
导 师: 江开勇
学 校: 华侨大学
专 业: 机械工程
关键词: 解相技术 误差补偿 立体匹配 多视角数据拼接 精度评价
分类号: TP274
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
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内容摘要


结构光三维测量技术具有非接触、速度快、精度高等优点,在逆向工程,工业检测,文物保护等领域得到广泛的应用。在基于相位的结构光测量技术中,通常采用格雷码加正弦光栅相移法或多频外差法对相位进行展开。其中多频外差法能获得更高的相位精度,因此得到了广泛研究。然而,受到系统非线性因素的影响,解算得到的相位都存在波动误差。近年来,相位波动误差补偿方法引起众多研究者的关注。在数据拼接方面,基于标志点的拼接方法由于具有稳定、精度高以及操作方便等特点而被广泛采用。但单视角标志点的匹配以及不同视角下对应标志点的查找问题依然是个重要问题。综上所述,本文对两种相位展开方法、相位波动误差补偿和基于圆点标志点的拼接方法进行深入的研究。在相位展开方面,采用归一化法解决了在强烈环境光干扰之下,格雷码区域划分不稳定的问题。提出了归一化法的拓展方法,修正了正弦光栅的波形,减小了环境光、噪声、反光和被测物体表面颜色对测量的影响,提高了测量数据的整体精度。提出了多频外差法的相位错误修正方案,利用该方案可以得到很好的校正结果。在相位波动误差补偿方面,本文通过数值模拟的方法分析了离焦效应、光栅相移步数、光栅周期等因素对相位波动误差的影响,依据分析的结果调整了光栅生成参数以及图片后处理参数,提高了数据表面质量。并且采用张旭提出的方法对系统进行标定,得到了系统的Gamma畸变系数,修正了系统的灰度响应曲线。在拼接方面,依据标志点的尺寸、形状、颜色特征提出了一套简单、高效的标志点识别准则。提出了基于投影辅助光的单视角左右相机标志点立体匹配方法,基本解决了基于标志点的立体误匹配问题。基于欧式空间几何不变性原理,改进了不同视角下对应公共标志点的查找方法,实现了多视角数据的高效拼接。最后,采用测量实例分别对单视角测量数据和多视角拼接效果进行了精度评价。在单幅面精度测量中,点云的整体精度为0.0452mm。在粗拼接中,对一个回转体进行测量,共通过七个视角完成数据拼接,两相邻视角间的平均误差为0.2mm,整体拼接误差为0.4mm。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-18
  1.1 引言  10
  1.2 基于数字投影的双目立体视觉测量  10-15
    1.2.1 数字投影图案编码方法概述  10-13
    1.2.2 相位波动误差补偿研究现状  13-14
    1.2.3 多视角数据拼接研究现状  14-15
  1.3 本课题的选题背景及研究内容  15-18
    1.3.1 选题背景  15
    1.3.2 研究内容  15-18
第2章 解相技术研究  18-42
  2.1 基于视差的三角测量原理  18-19
  2.2 基于相移的解相原理  19-22
    2.2.1 相移原理  19-21
    2.2.2 相位展开原理  21-22
  2.3 格雷码加光栅相移法相位展开原理  22-30
    2.3.1 归一化法用于解相  23-30
      2.3.1.1 归一化法用于格雷码区域划分的校正  23-26
      2.3.1.2 归一化法用于减小反光的影响  26-30
  2.4 多频外差法解相原理  30-41
    2.4.1 外差原理  30-33
    2.4.2 光栅频率的选择  33-35
    2.4.3 相位展开错误的校正方案  35-41
  2.5 本章小结  41-42
第3章 Gamma 校正及误差补偿技术研究  42-62
  3.1 Gamma 畸变现象分析  42-45
  3.2 Gamma 畸变数学模型  45-47
  3.3 Gamma 畸变数值模拟  47-53
    3.3.1 投影光栅设计  48-49
    3.3.2 相移步数对误差的影响  49-51
    3.3.3 离焦距效应和光栅周期对误差的影响  51-53
  3.4 Gamma 畸变的误差补偿  53-60
    3.4.1 系统 Gamma 值的标定  54-60
  3.5 本章小结  60-62
第4章 基于圆点标志点的多视角数据粗拼接  62-78
  4.1 标志点的识别  62-65
    4.1.1 形状准则  63-64
    4.1.2 灰度准则  64-65
  4.2 标志点的立体匹配  65-70
    4.2.1 粗匹配的获取  66
    4.2.2 去除误匹配  66-69
    4.2.3 标志点识别匹配试验  69-70
  4.3 不同视角下公共区域上标志点的匹配  70-74
    4.3.1 公共幅面上标志点的查找和匹配  70-72
    4.3.2 旋转平移矩阵的求解  72-74
  4.4 拼接实验  74-76
  4.5 本章小结  76-78
第5章 三维重建实例与精度评价  78-88
  5.1 测量系统的参数  78
  5.2 测评方法  78-79
  5.3 测量实例及精度评价  79-86
    5.3.1 格雷码加相移光栅法与多频外差法解相精度对比  79-83
    5.3.2 粗拼接精度测评  83-86
  5.4 本章小结  86-88
第6章 总结与展望  88-90
  6.1 本论文研究工作总结  88-89
  6.2 研究展望  89-90
参考文献  90-94
致谢  94-96
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  96

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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