基于极线几何的条纹投射轮廓术研究

发布时间：2020-06-26 02:52

【摘要】：条纹投射轮廓术具有全场信息获取、非接触、快速高效、成本低廉、对工作环境要求低等优点,是光学三维测量领域最具代表性的实用技术之一,在工业及民用等领域的许多方面都有着非常广阔的应用前景。另一方面,条纹投射现有技术尚存在很多问题,制约着其测量精度及测量效率的进一步提高。例如,系统标定过程复杂,且标定精度不易保证;器件特性存在局限性,其影响难以消除;条纹图像分析方法的精度、效率或计算复杂性有待改进等等。本文以极线几何为工具研究条纹投射轮廓术的原理与方法,并改进条纹图像处理方法,为解决上述问题提供了一些新的富有竞争力的解决方案。本文研究工作主要包括以下几个方面:1.条纹投射测量系统的极线几何分析及其几何物理模型的建立本文利用极线约束理论对条纹投射测量系统进行分析,推导投影机与摄像机极线方程,以此为基础,建立测量的几何物理模型,确定条纹图像特征与被测物体几何特征之间的映射关系,分析系统极点位置对测量系统性能及测量结果的影响,提供条纹投射测量系统极点标定方法,为后续研究奠定基础。2.基于交比不变性的深度重建方法研究在条纹投射轮廓术中,投影机的参数很难精确标定,以致投影机误差往往成为影响最终测量精度的关键因素。本文以前述的条纹投射测量系统的极线几何分析为基础,采用透视变换理论建立入射光线上的深度与摄像机像素位移之间的映射关系,根据交比不变性原理,提出新的物面深度重建方法。该方法可以使测量结果免受投影机误差,包括几何参数估计误差、镜头畸变误差、非线性失真等的影响,从而为三维测量精度的提高提供了新思路。3.全场位相灵敏度分析及其优化方法研究在条纹投射轮廓术中,位相灵敏度是影响测量精度的重要因素之一。本文从系统的极线几何分析入手,分析了影响位相灵敏度的各因素,阐明了系统极点位置对位相灵敏度的影响,进一步确定了位相灵敏度对投射条纹方向的依赖关系。在此基础上,提出全场位相灵敏度极大化的最优圆弧条纹与全场位相灵敏度较高的近优直线条纹方案。这些优化方案能有效提高系统的测量精度和分辨率。4.基于灰度梯度的载波条纹频率分析技术及位相重建方法研究变形条纹图像中包含了被测物面的三维形貌信息,因此变形条纹图像的处理与分析是条纹投射形貌术的关键环节之一,其目标在于提取条纹位相、相移量等特征信息。作为一种单幅条纹图像分析方法,空间载波条纹分析技术适用于动态实时测量等目的。为此,本文提出了一种新的空间载波条纹分析方法。首先通过统计领域内条纹图灰度梯度的方差,从中估计出该像素的位相梯度,即空间频率。再以空间频率估计方法为基础,提出了多种条纹位相恢复方法,如基于二维离散余弦变换的位相梯度数值积分方法和自适应最小二乘二维空间载波相移算法等。所提出的方法适用于载波干涉图像及条纹投射图像的位相分析目的。实验证明了这些技术可以提高单幅条纹图像的位相分析精度,且有助于减低条纹分析的计算复杂性。
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;TH74
【图文】：

绪论,三维测量,接触式,客观世界

第一章绪论第一章绪论1.1 引言人们通过自身的触觉或视觉来感知和认识三维客观世界中的事物或场景，如何把这种感知准确量化则是一门科学，即三维测量。如图 1.1 所示，三维测量方法可分为接触式（Contactmeasurement）与非接触式(Non-contactmeasuremen两大类。

条纹,光学三维测量,主动式,被动式

上海大学博士学位论文：基于极线几何的条纹投射轮廓术研究field）、高效率、高精度及测量结果便于处理、易于实现自动化等优点，在工业产品开发[2-3]、质量控制[4-5]、逆向工程（ReverseEngineering，RE）[6]、医学领域[7-9]、国防安全[10-12]、考古及文化遗产保护[13]等多个领域得到了日益广泛的应用和发展。随着现代检测技术的发展，光学三维测量技术已成为人们的研究热点之一[14-18]。1.2 光学三维测量技术概述1.2.1 光学三维测量技术分类随着应用的多样化，光学三维测量技术也日益多样化，因此其分类方法也多种多样[19]。

【参考文献】