编码结构光投影双目视觉三维测量技术研究

发布时间：2020-08-17 12:33

【摘要】：三维成像技术是目前比较热门的研究领域,在众多已提出的方法中,采用结构光对物体表面进行扫描重建的方法越来越受到人们的重视。投影结构光三维重建具有较高精度、非接触、检测速度快、操作简单等优点,在工业场景中正应用得越来越广泛。单目的结构光系统面对具有复杂表面或者阶梯、陡峭表面的物体时,因遮挡问题而不能重建出完整的物体表面。双目或多目的投影结构光系统可以有效地解决单目系统遇到的问题,但也引入了新的问题,比如:需要解决多目系统的标定以及多个点云融合的问题。本文详细介绍了双目结构光系统的测量原理,主要包括投影图案的编码解码技术、系统模型中参数的标定以及点云的生成与融合拼接等。通过对图案编解码策略进行分析,决定采用格雷码编码,它可以显著提高解码的可靠性。在对投影仪进行标定时,通过局部单应性变换的方法将投影仪标定转换为成熟的相机标定,大大提高了投影仪标定的准确性。在最后的点云重建部分,针对菱形排布投影器件的特性,提出了一种三角法三维点云重建的改进方案,有效地解决了正常使用三角法重建点云出现的变形问题。之后,根据上述原理开发了一套双目结构光三维测量系统,使用它可对复杂表面进行三维重建。该系统硬件组成比较简单,由一个投影仪和两个相机组成,在进行三维重建时,实际上是左右两个子系统(两个投影仪-相机对)分别进行三维点云重建,之后将右点云变换坐标与左点云进行融合。实验结果表明工作距离为800mm时,系统的重复相对测量误差为0.6%,即能有效地重建出被测物三维形貌。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O439;TN919.81
【图文】：

三维测量,绪论

第一章绪论第一章绪论题研究的背景和意义物体表面三维尺寸的测量是当前比较热门的研究领域，相应的测量生产生活中有着广泛的应用。例如，在逆向工程、机器视觉、工业领域中，我们可以轻易地发现它们的身影，并且它们的重要作用也课题基于这样的背景，主要研究结构光三维测量中的编解码技术、定以及多个生成点云的配准问题，通过使用高性能的硬件，提高系理速度，最终获得具有较高精度和点云密度的被测物点云。维测量技术概述

三坐标测量机,光学技术,微电子技术,传感技术

合肥工业大学硕士学位论文所示。其中，接触式测量的典型代表就是三坐标测量机[3,。这种测量方法在目前看来测量精度最高，可达到微米级。比如在对柔软物体和弯曲曲面的大型工件进行测量时，显接触式探头机械运动的限制，导致测量效率也不高；另外对工作环境有很高的要求，因此应用范围受限。这些都限中的应用。

三维形貌,三维扫描仪

图 1. 3 Breuckmann 公司的 StereoSCAN-HE 三维扫描仪Fig 1.3 StereoSCAN-HE 3D Scanner of Breuckmann Company投影结构光三维测量技术是一种主动式的三角测量技术，其基本原理是控制光源向被测物表面投射光线，光在物体表面形成点、线、面三种形状，可用成像系统采集。之后根据标定的空间方向和获得的位置参数，利用三角法测量原理即可得到物体在空间中的三维形貌。目前，国外对投影结构光三维测量技术的研究主要侧重在两个方面，其一是提高测量精度[12, 13]；其二是加快处理速度，以期实现最终的实时测量[14, 15]。精度方面，很多研究人员将系统参数的精确标定作为研究的重点，比如从原理上对测量系统模型进行改进和使用比棋盘格更精确的特征圆平板等。而对于速度，研究人员从减小算法复杂度和使用高性能计算技术方面着手，比如使用查找表（LUT）的技术减小计算量。除此之外，国外的科研人员还在产品的商业化方面做了大量的工作。近年来，很多便携式的 3D 扫描仪涌入市场，在测量精度、速度以及交互性等方面都达到了较高的水平。比如德国的 Breuckmann 公司生产的 StereoSCAN-HE 三维扫描仪系统，如上图 1.3 所示，其测量分辨率可达 0.02mm。和国外相比，近年来我国视觉测量

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