结构光三维测量系统搭建及误差矫正研究

发布时间：2020-04-26 19:52

【摘要】：结构光三维测量技术是一种主动视觉测量技术,通过投影设计好的图案,再由摄像机采集变形的图案,可以计算得到被测物外表面的空间坐标值,因此可以对立体几何物表面进行测量和表征。由于其具有非接触、无损伤、精度高、速度快等优点,广泛应用于工业测量、艺术设计、虚拟.现实等多个领域。在现阶段产品的开发中,国内的结构光三维测量设备在性能上还有待提高,仍需进行深入研究。本文以提高结构光三维测量系统的性能为目标,在系统搭建、相位求解、系统标定、相位误差矫正的方向进行了研究,实现了结构光三维测量系统在测量精度和速度上的提高。结构光三维测量系统主要由摄像机和投影仪组成,本文研究了相移法结构光三维测量系统的数学建模和硬件设计,包括:根据测量的范围和精度的要求对投影仪、摄像机以及镜头等设备进行选型、实现了对DLP光学投射器的成像控制、DLP光学投射器和工业相机同步拍摄的触发控制。在软件方面设计了整个实验的测量流程,在图像处理及计算时使用MATLAB进行数据的处理,最终形成三维测量和重构系统,实现了三维重建系统的完整工作流程。结构光三维测量系统采用的编码方式决定了测量系统所能达到的对应点的测量精度。本文研究了相移法结构光测量的编码和解包裹算法,包括最常用的两种编码方法——格雷码结合相移法与多频外差法,发现现在应用最广泛的多频外差法存在容易受到噪声干扰的问题,会影响到测量的精度。针对这一问题,提出了一种基于多频外差的绝对相位反向求解的方法,该方法从最终外差相位反向求解第一组频率光栅的绝对相位,实验证明该方法可以有效减小测量过程中的噪声干扰。结构光三维测量系统标定是测量的基础,对整个系统测量的速度和精度都有很大的影响。本文研究了系统相位标定和摄像机标定的原理和方法,针对传统角点提取方法计算量大、提取速度较慢的缺点,提出了一种基于圆环阵列的系统快速标定方法,测量结果表明在保证精度的同时,其速度相比于角点提取方法提高了 93.1%。Gamma非线性误差是指投影仪投射的光栅不满足正弦分布,从而导致计算得到的物体相位与其理想相位之间产生周期性的波动误差。针对这一问题,提出了一种基于多项式拟合的gamma畸变主动矫正方法,从而达到提高测量精度的目的。其优点为:相对于gamma值预编码方法和被动误差补偿方法不局限于特定模型。通过实验对比分析计算得到的被测物体的相位分布,结果表明矫正后的平均相位误差减少了 78.07%,证实了本文设计的gamma畸变矫正算法的有效性。
【图文】：

立体视觉,双目,基本原理

然后匹配两幅图像中的相同特征点，得到物体在不同摄像机图像中的视差，进据两个摄像机的空间位置关系可得到特征点的三维坐标值。被动光学测量技术所需备简单，测量灵活快速，然而其不足之处在于图像中的特征点提取与匹配的运算量别的准确性较低，特别是对于一些颜色变化不大、形状起伏较为平缓的物体而言，行有效的测量，故立体视觉测量可应用于对精度要求不是很高的生活场景。逡逑

飞行时间法

后的部分脉冲信号，利用物体表面的不同高度导致接受脉冲信号的时间差，就可以计算出逡逑物体表面到激光器的距离。使用该装置对整个物体进行扫描后，可得到被测物的空间三维逡逑数据（如图１．２）。该方法原理简单，适用的测量场景广范，并且各种物体都可以测量，但逡逑对硬件系统的要求高，因为光脉冲的速度很快，因此测量精度受到硬件调节的制约。逡逑ＩＲＬＥＯ逦？逡逑曾＾邋？逡逑，，二３邋曑邋ｍｎｊｕｍｎｊｍｎｊｗｉｍｍｒＬｒｉｙＪＩ逡逑感测邋？逡逑图１．２飞行时间法逡逑１．２．３激光三角测量法逡逑激光三角测量法一般使用一条线激光从物体表面扫过，并利用与其成一定角度的相机逡逑记录下这一些列图像。线激光受到物体表面的高度调制呈现不同的形状（如图１．３），根据逡逑光学三角测量原理，根据线激光的变形即可求得物体表面的高度。激光扫描三维测量的算逡逑法快速稳定，是工业测量中使用很广泛的测量方式。但由于激光光线亮度高，穿透性强的逡逑特点，测量时易受被测物材料及表面特性影响，导致对一些物体测量效果不如意，比如易逡逑反光的光滑金属表面、反射不明显的深色物体、透明或半透明的物体。另一方面
【学位授予单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.41;O439

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