基于立体视觉的高速结构光扫描系统

发布时间：2017-05-21 10:08

  本文关键词：基于立体视觉的高速结构光扫描系统，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：结构光三维扫描技术的原理是通过激光器发出的光投向被测物体,在物体表面上形成检测光带图形,通过图像采集和处理技术对光带的坐标进行提取,从而得到物体表面的二维断面信息,当激光和摄像机相对于被测物体移动时,就能获取被测物体的三维轮廓。为了提高现有结构光系统的扫描频率,本项目提出了多条光带的激光扫描测量技术,在采集处理模块处理速度和相机输出频率不变的条件下,极大地提高断面扫描频率,以满足钢轨断面车载检测等高速应用场景。论文首先介绍了激光三角测量方法和双目立体视觉测量方法的基本原理,说明了单个相机测量多条光带时遇到的光带序号区分的问题；针对这个问题给出了基于立体机器视觉的结构光扫描系统工作的总体方案。然后对本文的主要内容分成几章进行详细的介绍,包括硬件设计与图像处理算法,软件系统设计,以及系统标定原理和实验验证。硬件设计与图像处理算法主要介绍了结构设计和硬件采集的设计,以及FPGA对五条光带的提取算法,移植在FPGA上后,硬件采集分辨率为1280×1024的图像时,帧频能达到300fps,采集断面速率为每秒1500断面。软件系统设计依靠DALSA公司提供的Sapera LT类库和MFC开发环境进行编程,实现对图像的设置、缓存、绘图和坐标数据的保存等功能。系统标定包括对双目立体视觉参数的标定和结构光三角测量参数的标定。对双目立体视觉参数的标定采用张正友标定法,对结构光三角测量的参数标定采用拟合的方式获取方程式中未知参数的解。通过系统测试,得到系统的采集速率达到每秒1500断面；系统光带区分的正确率可以达到98.26%；在标定的测量范围内,平均误差小于3mm。系统运行稳定,达到了预期要求。
【关键词】：多光带结构光 激光三角测量 双目立体视觉 图像处理
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-10
• 1 引言10-16
• 1.1 研究背景与意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.3 本文的主要内容14-16
• 2 测量原理与系统方案设计16-34
• 2.1 激光三角测量方法16-18
• 2.2 目立体视觉测量方法18-24
• 2.2.1 目立体视觉原理18-20
• 2.2.2 算法一般流程20-24
• 2.3 单相机多光带系统缺陷24-25
• 2.4 立体视觉区分光带序号25-29
• 2.4.1 左右相机光带均完整25-26
• 2.4.2 只有一个相机光带完整26-27
• 2.4.3 左右相机光带均不完整27-29
• 2.5 系统方案设计29-32
• 2.6 本章小结32-34
• 3 硬件设计与图像预处理算法34-46
• 3.1 机械结构设计34-35
• 3.2 硬件设备选型35-37
• 3.2.1 半导体线性激光器35-36
• 3.2.2 高速CMOS相机36-37
• 3.2.3 FPGA数据采集卡37
• 3.3 图像预处理算法37-42
• 3.3.1 阈值分割38-39
• 3.3.2 边沿检测与光带中心提取39-40
• 3.3.3 图像处理模块及数据流向分析40-42
• 3.4 硬件调试结果42-44
• 3.5 本章小结44-46
• 4 软件系统设计46-58
• 4.1 系统操作流程46-47
• 4.2 软件类库概述47-50
• 4.3 应用功能设计50-57
• 4.3.1 相机功能配置50-52
• 4.3.2 FPGA内核烧写52-54
• 4.3.3 灰度图像显示54-56
• 4.3.4 光带中心位置绘制56-57
• 4.4 本章小结57-58
• 5 系统标定与测试58-72
• 5.1 单个相机的内参标定58-62
• 5.1.1 张氏标定模型58-60
• 5.1.2 标定过程与实验结果60-62
• 5.2 两相机间的外参标定62-63
• 5.3 相机与激光面的外参标定63-65
• 5.4 系统测试65-70
• 5.4.1 采样速率测试66
• 5.4.2 区分光带序号测试66-69
• 5.4.3 系统误差测试69-70
• 5.5 本章小结70-72
• 6 总结和展望72-74
• 6.1 论文工作总结72-73
• 6.2 展望73-74
• 参考文献74-76
• 作者简历76-80
• 学位论文数据集80

【参考文献】

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本文编号：383320