三维扫描仪中三维信息获取理论与技术研究

发布时间：2020-07-15 01:14

【摘要】：三维信息获取技术在许多领域有重要的应用,是当前信息科学研究的一个重要热点。在本论文中,作者以三维扫描仪研制为背景,研究三维信息获取的理论和技术,并作为主要研究者之一开发了非对称双相机结构光三维扫描系统,进行了多方面的应用研究和实验,取得了一些有意义的成果。 本文首先对现有的三维信息获取方法进行了总结和分类,分析了这些方法的优点和缺陷,指出了当前该领域亟待解决的问题及研究的热点。 在介绍相机模型的基础上,给出了两种结构光三维信息获取的算法。提出了基于平面约束的 DLT 模型,给出了该模型的定标算法和相应的实验结果。 对结构光系统的测量盲区问题进行了深入研究。对盲区的成因进行了分析和归类。通过分析指出,盲区的形成与结构光测量单元的参数、测量单元与物体的相对位置以及物体的几何外形有密切关系。给出了系统有效视场的判据,提出了绝对盲区的定义和判据。在深入分析盲区成因的基础上,提出了解决盲区的方案,指出通过改变结构光测量单元的参数、增加视点或结构光源,可以有效地改善遮挡的情况,而通过结构光测量单元的多自由度运动、多方位扫描,可以解决大部分盲区问题。分析了双相机系统中两相机图像的对应关系,提出了相应的定标算法。实验结果证明了这些分析和算法的正确性和有效性。 在总结前人工作的基础上,从系统的角度,对三维信息获取系统的误差来源、成因以及误差传递进行了详细地分析。以结构光旋转扫描系统为例,分析了采样量化误差对系统的影响,提出了系统有效量程、深度方向像素分辨率的计算公式。研究了结构光旋转扫描系统中的偏心误差问题,提出了误差模型、偏心参数定标算法和误差校正算法,实验结果证明了这些模型和算法的正确性。分析了结构光条纹定位误差对结果的影响,指出了影响结构光条纹准确定位的原因。在这些分析的基础上,提出了减少系统误差的有效方案。 介绍了信息融合的基本理论和方法,指出了信息融合对于三维信息获取系统的重要意义。对系统中多源信息进行了分析。提出了基于多方法融合的特殊反射区域三维信息获取方案,基于多方位信息融合的色彩信息获取方法,介绍了双相机信息融合方案。实验结果表明,这些方法能有效地克服传统结构光方法的一些
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2002
【分类号】：TP334.22;TP391.41
【图文】：

(a) 同心圆柱定标模块 (b) 同心圆柱定标模块图像 (c) 平面定标模块图案 (d) 平面定标模块图像图 3-4 定标模块设计及拍摄的定标图像调整定标模块的位置令其中轴铅直，结构光平面通过中轴投射于标准件上，形成光条纹，取每个圆柱上下缘的光条纹上的点为定标标志点和验算点，其尺寸很容易从标准件的尺寸得到。图 3-4(b)是拍摄的定标图像。也可以在标准件表面加上便于识别的标记作为标志点。由于平面约束的 DLT 模型只需要对平面定标，也可以采用如图 3-4(c)所示的定标模块，在平板上标志出这些图案，定标时令结构光平面与平板面重合即可，系统采集的定标图像如图 3-4(d)。这种模块标志点定位精度比较高，但调整比较困难。考虑对系统其它参数的标定（如偏心参数和左右相机参数），我们采用圆柱形定标模块。一次实验得到的定标参数矩阵为： =0.00060.00051.00000.3953-2.9132428.6437-1.16200.1613334.8780A

(c) 右相机拍摄无遮挡的光条纹 (d) 根据左相机图像计算右相机图像的结果图 3-16 双相机定标和映射实验 3-16(a)为右相机拍摄的图像，可以看到其中由于遮挡的影响光条 3-16(b) 为左相机拍摄的图像,在这一侧由于没有遮挡，光条纹完整双相机映射参数，从左相机图像计算右相机图像，结果为图 3-16(d)，结果图像仍取原图像大小，不在重合视野的部分用固定值填充）。图遮挡物后右相机拍摄到的图像。对比图 3-16(c)和图 3-16(d)可以看的结果和实际拍摄的图像非常吻合，证明有关的分析和算法是正确多方位扫描与多关节测量臂前面的分析看到，为了有效的解决盲区问题，必需采用多方位测量、多方向扫描用这一技术后，会引入一些新的问题，主要有：多视点坐标变换、多自由度高精统定位、多视点采样深度数据配准和拼合等。

图 3-18 多关节机械测量臂实物为实现多方位扫描测量，必需有合适元的运动平台。这样伺服装置要求运动选用高精度车床、三坐标测量仪等作为用灵活而有特殊的优点。多关节机械测量臂由多个杆件和可转实时测量，根据杆件长度等系统参数和机 器 人 学 中 ， 对 这 类 机 械 臂 的 定 Denevit-Hartenberg 杆件坐标系理论进图 3-18 是一种多关节机械测量臂的理模型。设杆件i与杆件 i 1通过关节i相i 坐标系iiiiO xyz（均为右手系）定义如 Romer 公司产品，见 http://www.romer.com

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本文编号：2755756