基于光源步进法的条纹投影三维测量系统标定与改进
发布时间：2021-09-22 09:35
光学三维形貌测量技术是一种非接触的三维测量技术。它具有高速,高精度和高分辨率等优点,广泛应用与各个行业之中,例如工业检测、文物保护、逆向工程以及最近发展迅速的3D打印和增强现实（AR）等等。目前,相位测量轮廓术和傅里叶变换轮廓术等基于条纹投影的三维形貌测量方法得到了广泛的应用和研究。采用液晶和数字微镜的投影仪是常用的条纹投影设备。其中数字微镜投影速度快,但数字微镜价格较高。而液晶投影仪的价格相对较低,但投影速度较慢,不适用于高速测量。同时这些投影仪占据测量系统大部分的体积,不利于测量系统紧凑化。采用罗琦光栅和LED光源阵列的光源步进法相移条纹投影系统速度快、体积小、价格低廉,在结构光三维测量中有良好的应用前景。本论文对光源步进法三维测量系统原理进行了分析。改进了测量系统的标定方法,扩展了系统的测量深度范围。论文主要内容有以下几部分:（1）介绍了光学三维形貌测量技术及其研究现状;（2）介绍了条纹投影三维测量技术及光源步进法投影系统的原理;（3）研究了测量系统的标定方法。针对光源步进法三维测量系统特点,讨论了相位与三维坐标的映射方法,提出了采用平面靶标的系统标定方法。（4）分析了光源步进法...
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相机标定板在求取参考平面的三维坐标也需利用参考平面上特征点来计算
3测量系统标定与测量深度扩展22图3.3参考平面2）内外圆边缘定位在得到同心圆的粗略圆心和半径后使用亚像素级边缘算法求得精细的同心圆内外边缘位置。这里使用一种基于傅里叶描述子的亚像素级边缘算法[46]，使用傅里叶描述子描述图像边缘方程。边缘表达式如下：Re=ak=Nfakcoskbksink(3.1)上式中Re为角度的半径函数。a0是零级傅里叶系数，ak和bk为高阶傅里叶系数。Nf为傅里叶系数的最高项数。那么精细同心圆边缘轮廓可以通过最小化目标函数来估计：F=rIdArIdA(3.2)上式中r1和r2分别代表Re所表示的轮廓外和轮廓内。I和I分别代表轮廓外和轮廓内的平均灰度值。表示图像中图像坐标为(x,y)的像素灰度值。当F最小时，Re所描述的图像边缘轮廓为图像最优边缘位置。Re其中的傅里叶描述子a0...aNf和b1...bNf可以通过牛顿高斯迭代法进行非线性优化得出。3）内外圆圆心拟合在得到同心圆内外圆的亚像素边缘定位后，可以利用最小二乘法拟合椭圆得到外圆和小圆的圆心位置。此时求出的内外圆圆心都与实际圆心存在偏差，需要
3测量系统标定与测量深度扩展24λai=KrrT=hhh3hhh3h3h3h33(3.4)消去上式中λ，可以转换成如下的矩阵形式：XWYWuXWuYWuXWYWvXWvYWvXWNYWNuNXWNuNYWNuNXWNYWNvNXWNvNYWNvNhhh3hhh3h3h3h33=PH(3.5)P进行奇异值分解，得到最小特征值对应的特征向量H，旋转矩阵R和平移矢量T、常数因子λ由式（2.37）求得。式子可以改写为：=λHai(3.6)相机坐标系下坐标可以由旋转矩阵R和平移矢量T、世界坐标得到：=RT(3.7)式(3.6)从图像坐标计算参考平面的世界坐标。通过式(3.7)将参考平面的世界坐标转换为相机坐标。利用上述方法可以计算相机坐标系中多个参考平面的三维坐标。3.3.2参考平面靶标相位拟合参考平面的相位获取是测量系统标定中重要一步。在获取参考平面的相位时，参考平面上靶标图案会影响相位估计精度，如图3.5所示。这些失真的相位会影响测量系统标定的精度。图3.5靶标图案相位分布
【参考文献】：
期刊论文
[1]条纹投影动态三维表面成像技术综述[J]. 李勇,张广汇,马利红,应晓霖,姚建云. 红外与激光工程. 2020(03)
[2]基于多个线激光传感器旋转扫描的铸钢车轮在线三维测量技术[J]. 陈瀚,张思瑾,高见,王涛,马德清,李中伟,钟凯,王从军,史玉升. 中国激光. 2019(07)
[3]条纹投影动态3维测量中相位高精度估计[J]. 闫乾宏,李勇,江溢腾,黄凯,周星灿,陈晓鹏. 激光技术. 2019(05)
[4]无扫描激光三维成像雷达研究进展及趋势分析[J]. 卜禹铭,杜小平,曾朝阳,赵继广,宋一铄. 中国光学. 2018(05)
[5]相移条纹投影三维形貌测量技术综述[J]. 毛翠丽,卢荣胜,董敬涛,张育中. 计量学报. 2018(05)
[6]基于高度信息的自由曲面可编辑投影显示技术[J]. 李彦,苏显渝,陈文静. 光学学报. 2018(08)
[7]非接触式三维重建测量方法综述[J]. 丁少闻,张小虎,于起峰,杨夏. 激光与光电子学进展. 2017(07)
[8]虚拟现实光学显示技术[J]. 王涌天,程德文,许晨. 中国科学:信息科学. 2016(12)
[9]虚拟现实的人机交互综述[J]. 张凤军,戴国忠,彭晓兰. 中国科学:信息科学. 2016(12)
[10]基于光场成像的三维测量方法的研究[J]. 王宇,张旭,李晨,屠大维. 仪器仪表学报. 2015(06)
硕士论文
[1]条纹投影三维测量的若干关键技术的研究[D]. 张佰春.深圳大学 2017
本文编号：3403541
【文章来源】：浙江师范大学浙江省
【文章页数】：52 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
相机标定板在求取参考平面的三维坐标也需利用参考平面上特征点来计算
3测量系统标定与测量深度扩展22图3.3参考平面2）内外圆边缘定位在得到同心圆的粗略圆心和半径后使用亚像素级边缘算法求得精细的同心圆内外边缘位置。这里使用一种基于傅里叶描述子的亚像素级边缘算法[46]，使用傅里叶描述子描述图像边缘方程。边缘表达式如下：Re=ak=Nfakcoskbksink(3.1)上式中Re为角度的半径函数。a0是零级傅里叶系数，ak和bk为高阶傅里叶系数。Nf为傅里叶系数的最高项数。那么精细同心圆边缘轮廓可以通过最小化目标函数来估计：F=rIdArIdA(3.2)上式中r1和r2分别代表Re所表示的轮廓外和轮廓内。I和I分别代表轮廓外和轮廓内的平均灰度值。表示图像中图像坐标为(x,y)的像素灰度值。当F最小时，Re所描述的图像边缘轮廓为图像最优边缘位置。Re其中的傅里叶描述子a0...aNf和b1...bNf可以通过牛顿高斯迭代法进行非线性优化得出。3）内外圆圆心拟合在得到同心圆内外圆的亚像素边缘定位后，可以利用最小二乘法拟合椭圆得到外圆和小圆的圆心位置。此时求出的内外圆圆心都与实际圆心存在偏差，需要
3测量系统标定与测量深度扩展24λai=KrrT=hhh3hhh3h3h3h33(3.4)消去上式中λ，可以转换成如下的矩阵形式：XWYWuXWuYWuXWYWvXWvYWvXWNYWNuNXWNuNYWNuNXWNYWNvNXWNvNYWNvNhhh3hhh3h3h3h33=PH(3.5)P进行奇异值分解，得到最小特征值对应的特征向量H，旋转矩阵R和平移矢量T、常数因子λ由式（2.37）求得。式子可以改写为：=λHai(3.6)相机坐标系下坐标可以由旋转矩阵R和平移矢量T、世界坐标得到：=RT(3.7)式(3.6)从图像坐标计算参考平面的世界坐标。通过式(3.7)将参考平面的世界坐标转换为相机坐标。利用上述方法可以计算相机坐标系中多个参考平面的三维坐标。3.3.2参考平面靶标相位拟合参考平面的相位获取是测量系统标定中重要一步。在获取参考平面的相位时，参考平面上靶标图案会影响相位估计精度，如图3.5所示。这些失真的相位会影响测量系统标定的精度。图3.5靶标图案相位分布
【参考文献】：
期刊论文
[1]条纹投影动态三维表面成像技术综述[J]. 李勇,张广汇,马利红,应晓霖,姚建云. 红外与激光工程. 2020(03)
[2]基于多个线激光传感器旋转扫描的铸钢车轮在线三维测量技术[J]. 陈瀚,张思瑾,高见,王涛,马德清,李中伟,钟凯,王从军,史玉升. 中国激光. 2019(07)
[3]条纹投影动态3维测量中相位高精度估计[J]. 闫乾宏,李勇,江溢腾,黄凯,周星灿,陈晓鹏. 激光技术. 2019(05)
[4]无扫描激光三维成像雷达研究进展及趋势分析[J]. 卜禹铭,杜小平,曾朝阳,赵继广,宋一铄. 中国光学. 2018(05)
[5]相移条纹投影三维形貌测量技术综述[J]. 毛翠丽,卢荣胜,董敬涛,张育中. 计量学报. 2018(05)
[6]基于高度信息的自由曲面可编辑投影显示技术[J]. 李彦,苏显渝,陈文静. 光学学报. 2018(08)
[7]非接触式三维重建测量方法综述[J]. 丁少闻,张小虎,于起峰,杨夏. 激光与光电子学进展. 2017(07)
[8]虚拟现实光学显示技术[J]. 王涌天,程德文,许晨. 中国科学:信息科学. 2016(12)
[9]虚拟现实的人机交互综述[J]. 张凤军,戴国忠,彭晓兰. 中国科学:信息科学. 2016(12)
[10]基于光场成像的三维测量方法的研究[J]. 王宇,张旭,李晨,屠大维. 仪器仪表学报. 2015(06)
硕士论文
[1]条纹投影三维测量的若干关键技术的研究[D]. 张佰春.深圳大学 2017
本文编号：3403541
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