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光栅投影三维形貌测量系统的研究

作　者: 杨丽霞
导　师: 夏永发
学　校: 东北大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 光栅投影三维测量相位计算高度映射精度研究
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近十年来,结构光三维形貌测量技术在逆向工程、质量控制、自动在线检测、医学诊断、文物数字化和人体测量等众多领域应用广泛。20世纪80年代,国外开始对面结构光三维形貌测量技术进行研究,目前已发展成熟。而国内对结构光三维形貌测量技术的研究开始于21世纪,目前还处于成长阶段。由国内研发、推出的结构光三维形貌测量系统在测量精度、测量速度及稳定性方面与国外先进产品存在着很大的差距。光栅投影三维形貌测量是利用数字投影设备将正弦光栅投射到被测物的表面,由图像传感器获取由于被测物表面高度调制而发生变形的光栅条纹的图像,根据图像中像素灰度值的变化对变形的光栅条纹进行解调,计算出被测物表面点的三维点云数据,从而快速、准确地实现被测物的三维形貌测量。在深刻了解结构光三维形貌测量系统应用背景与研究现状的基础上,深入研究光栅投影三维形貌测量系统的关键技术,初步搭建了一套应用于实验测量、价格适中的光栅投影三维形貌测量系统。在系统搭建初期,认真学习了光栅投影三维形貌测量技术中所应用到的摄影测量学、光学、数字图像处理、格雷编码等关键技术；在系统搭建过程中,逐一解决了其间所遇到的相机标定、角点检测、相位计算、图像预处理等技术难题,并最终完成了测量系统的搭建工作；在系统搭建完成后,在系统分析了影响系统测量精度各方面因素的基础上,利用改变相移帧数与改变投影仪输入光栅模式的方法来改善系统的非线性以提高系统精度,并用实验数据验证了以上改善方法的有效性,将系统的测量精度提高到0.1mm。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-21
  1.1 三维形貌测量发展历程  11-13
    1.1.1 接触式三维形貌测量  11-12
    1.1.2 非接触式光学三维形貌测量  12-13
      1.1.2.1 立体视觉  12
      1.1.2.2 结构光三维测量  12-13
  1.2 结构光三维形貌测量的应用背景  13-15
  1.3 光栅投影三维形貌测量技术的研究现状  15-18
    1.3.1 目前研究热点与难点  15-16
    1.3.2 国外研究现状  16-17
    1.3.3 国内研究现状  17-18
  1.4 研究意义及主要内容  18-21
    1.4.1 研究意义  18-19
    1.4.2 主要内容  19-21
第2章系统的实现原理与关键技术  21-51
  2.1 系统原理的研究  21-22
  2.2 数学模型的分析  22-27
    2.2.1 经典直接三角法模型的分析  23-24
    2.2.2 新建系统模型的分析  24-27
  2.3 系统的关键技术  27-49
    2.3.1 相机标定技术  27-34
      2.3.1.1 相机标定原理  27-31
      2.3.1.2 传统相机标定方法的研究  31-34
    2.3.2 相位计算  34-44
      2.3.2.1 包裹相位的求解  35-40
      2.3.2.2 相位展开  40-44
    2.3.3 条纹图片的预处理  44-49
      2.3.3.1 图像平滑滤波  45-47
      2.3.3.2 阈值分割  47-49
  2.4 本章小结  49-51
第3章测量系统的实现  51-59
  3.1 系统参数  51-52
  3.2 硬件配置  52-54
    3.2.1 光栅投影装置  52-53
    3.2.2 图像采集装置  53-54
  3.3 系统操作流程  54-57
    3.3.1 系统标定  55-56
    3.3.2 实物测量  56-57
  3.4 本章小结  57-59
第4章系统精度的研究  59-75
  4.1 影响系统精度的因素  59-60
  4.2 CCD非线性对系统精度的影响  60-69
    4.2.1 CCD的非线性  60-64
    4.2.2 相机的非线性对系统精度的影响  64-65
    4.2.3 减小相机非线性对系统精度影响的研究  65-69
  4.3 投影仪非线性对系统精度的影响  69-74
    4.3.1 投影仪的gamma失真  69-70
    4.3.2 投影仪gamma失真对系统精度的影响  70
    4.3.3 投影仪gamma校正技术的研究  70-72
    4.3.4 适合本系统的gamma校正方法  72-73
    4.3.5 实验验证  73-74
  4.4 本章小结  74-75
第5章实验验证  75-81
  5.1 实验原理  75-76
  5.2 非线性校正前系统的精度  76-77
  5.3 相机校正后系统的精度  77-78
  5.4 投影仪校正后的测量精度  78-80
  5.5 实验结论  80
  5.6 本章小结  80-81
第6章结论与展望  81-83
  6.1 结论  81
  6.2 展望  81-83
参考文献  83-87
致谢  87

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