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光栅投影三维形貌测量技术的研究

作　者: 吴双卿
导　师: 王泽勇
学　校: 西南交通大学
专　业: 光学工程
关键词: 机器视觉傅里叶变换轮廓术摄像机标定位相展开配准
分类号: TP274.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2005年
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引　用: 9次
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内容摘要

三维物体表面轮廓的自动测量,可用于产品质量控制、工业在线检测、机器视觉、实物仿型、医学诊断、地质勘探、计算机辅助设计与加工等许多方面。傅里叶变换轮廓术是结构照明型三维传感领域中运用较为广泛的一种方法,它只需要有一幅参考光栅图像和一幅变形光栅图像,所需的图像空间较小,并且系统结构简单、测量速度快、精度高和可以进行大场景全场测量。本文围绕光栅投影三维物体表面轮廓工程测量方法,从理论和实践两方面进行了深入研究,其内容如下: 介绍了莫尔测量轮廓术(MFP)、调制度测量轮廓术(MMP)、相位测量轮廓术(PMP)以及傅里叶变换轮廓术(FTP)的测量原理,利用等效波长的概念对FTP测量方法中的参数进行优化选择,保证了傅里叶频谱中各级谱的完全分离与系统测量精度。研究了摄像机透镜成像的数学模型,提出了基于非共面点的摄像机自动标定方法,给出了高度和相位之间的映射关系,以及坐标(x,y)的标定方法。介绍了各种位相展开算法,提出了基于小波变换截断线基本走向检测的位相展开方法,有效解决了噪声、高度突变、阴影对位相展开的影响。研究了光栅图像的投影、采集及预处理方法,并对得到的被测物体表面三维数据点进行了重构显示,研究了多视点距离图像配准的算法。提出了由LCD投影仪、CCD摄像机、图像采集卡和光学导轨等组成的光栅投影三维物体表面轮廓测量系统的硬件装置,实现了用一台计算机同时控制投影和采集光栅图像。用Visual C++6.0开发了测量系统软件,集成了系统标定、图像处理和图像分析等功能,最后给出了傅里叶变换轮廓术的实验数据和结果分析。通过理论分析和实际测量,证明了系统标定方法、位相展开算法以及图像处理算法的有效性。

全文目录

第1章绪论  7-11
  1.1 光学三维传感的发展趋势  7-10
  1.2 本课题的研究内容  10-11
第2章基于光栅投影的三维形貌测量方法  11-32
  2.1 光栅特性  11-13
  2.2 莫尔测量轮廓术(MMP)  13-14
  2.3 卷积解调法(DCM)  14-15
  2.4 调制度测量轮廓术(MMP)  15-17
  2.5 相位测量轮廓术(PMP)  17-20
    2.5.1 PMP测量原理  17
    2.5.2 PMP相移方法  17-20
  2.6 Fourier变换轮廓术(FTP)  20-26
    2.6.1 FTP测量原理  21-22
    2.6.2 FTP测量对象分析  22-23
    2.6.3 测量对象的拓宽改进  23-26
  2.7 FTP中各参数的优化与选择  26-29
    2.7.1 FTP系统结构参数的分析  26-27
    2.7.2 探测器抽样频率的选择  27-28
    2.7.3 空间带宽积  28-29
  2.8 光栅图像采集与预处理  29-31
    2.8.1噪声点的识别  29-30
    2.8.2 常用的去噪方法  30-31
  2.9 本章小结  31-32
第3章系统标定方法的研究  32-47
  3.1 测量系统结构  32-35
  3.2 坐标映射关系  35-38
  3.3 透视投影矩阵的求解  38-40
  3.4 最小二乘法拟合  40-43
  3.5 摄像机标定方法  43-46
    3.5.1 高度z标定流程  43-45
    3.5.2 坐标(x，y)标定流程  45-46
  3.6 本章小结  46-47
第4章位相展开算法的研究  47-56
  4.1 解相的基本原理  47-48
  4.2 传统的解相方法  48-50
    4.2.1 相位跟踪解相算法  49
    4.2.2 自适应阈值解相法  49-50
  4.3 逐点增长解相法  50-51
  4.4 支切法  51-52
  4.5 最小二乘法  52-54
  4.6 调制度分析方法  54-55
  4.7 本章小结  55-56
第5章多视点距离图像配准  56-65
  5.1 局部配准  56-62
    5.1.1 算法概要  56
    5.1.2 生成候选控制点集  56-57
    5.1.3 最近点快速计算  57-58
    5.1.4 点对约束条件  58-60
    5.1.5 已经对应关系的三维点集配准  60-61
    5.1.6 迭代停止条件  61
    5.1.7 度量配准精度  61-62
  5.2 全局配准  62-63
    5.2.1 虚拟点对约束  62-63
    5.2.2 算法描述  63
  5.3 本章小结  63-65
第6章光栅投影三维形貌测量系统  65-81
  6.1 系统硬件设计  66-67
  6.2 系统软件设计  67-71
    6.2.1 编程语言的选择  67-68
    6.2.2 OpenGL显示模块  68-71
  6.3 测量实验及数据处理  71-77
    6.3.1 系统参数设计  71
    6.3.2 摄像机标定过程  71-73
    6.3.3 测量实例  73-77
  6.4 测量误差分析  77-80
    6.4.1 光学成像误差  77-78
    6.4.2 计算方法误差  78-79
    6.4.3 标定误差  79
    6.4.4 图像噪声误差  79-80
    6.4.5 噪声误差  80
  6.5 小结  80-81
致谢  81-82
参考文献  82-84
附录  84-91
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果  91

光栅投影三维形貌测量技术的研究

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