光栅投影轮廓术关键技术研究

发布时间：2017-07-26 10:31

  本文关键词：光栅投影轮廓术关键技术研究

  更多相关文章： 光栅投影轮廓术 相位展开 镜头畸变校正 标定 带通滤波器

【摘要】：光栅投影轮廓术是将光栅投影到物体表面,通过计算投影到物体上变形光栅像的相位,来进行物体表面三维轮廓数据的测量。它具有非接触、高速度、高精度、大数据量等优点,近年来已成为三维测量领域的重要研究课题,在工业制造、医疗器械、机器人、文化遗产保护、影视娱乐等领域得到了广泛应用。虽然光栅投影轮廓术在各种应用中取得了重要进展,但在相位展开、系统标定与优化设计及三维实时测量等方面还存在一些问题亟待研究解决。本文对光栅投影轮廓术中的相位展开、系统标定、镜头畸变校正、傅里叶变换轮廓术频域滤波的自动化处理等关键技术做了深入研究。本文的主要创新工作如下：(1)在相位展开方面,本文提出了改进的掩模切断二维相位展开方法。该方法采用网络流思想来建立掩模切断生成策略,以便生成细的掩模切断来平衡相位分布中的残差点；在残差点查找过程中,记录每个像素的前辈索引信息,并利用前辈索引信息跟踪从当前残差点到其前面最近一个前辈残差点的路径,将这个路径作为从当前残差点到其父残差点的最佳路径；最后,用最佳路径上的所有像素点组成最终的掩模切断。本文提出的掩模切断生成方法既保留了经典掩模切断方法的稳健性,又可有效阻止无用像素进入掩模切断,从而提高了相位展开的准确性,使相位展开结果更平滑,隔离区域更少。实验结果表明,与经典的掩模切断方法相比,本文掩模切断方法所生成的掩模切断更细、更准确。(2)在系统标定方面,本文提出了对散射投影的任意光学系统结构都适用的相位-高度关系。根据摄影测量理论,对参考平面和被测物体表面,推导出了统一的高度与绝对相位关系；然后用被测物体的相位分布减去参考平面的相位分布,推导出测量系统的相位-高度关系式。在此基础上,提出了相位-高度关系式中参数的标定方法。该相位-高度关系式在相机镜头和投影仪镜头都存在畸变的情况下,也能准确地将相位值转换为高度值。与现有方法相比,本文方法既能适应任意光学系统结构,也能有效地减少镜头畸变的影响。仿真结果表明,本文方法在测量精度方面有明显改进。(3)在相机镜头畸变校正方面,本文提出了一种相机镜头畸变模型的校正方法。该方法利用平面标定模板的一幅图像,在径向畸变、偏心畸变和薄棱镜畸变均存在的情况下,通过选定径向畸变和偏心畸变参数,进行迭代求解,估计理想的平面单应性矩阵；然后,利用这个近似的理想平面单应性矩阵,计算出畸变点所对应的理想点；接着,利用这组畸变点和对应的理想点,稳健地计算畸变模型,并对相机镜头畸变进行校正。实验结果表明,所提出的镜头畸变校正方法操作简便,畸变矫正精度高。(4)对于光栅投影轮廓术中的傅立叶变换轮廓术,本文针对系统光学结构和相关参数的变化,提出了一种傅立叶变换轮廓术中带通滤波器参数的自动选取方法。该方法直接对一幅变形条纹图进行处理,利用数值微分和图像直方图技术分析变形条纹图像的傅立叶频谱,有效获取基频中心位置和扩展范围,实现带通滤波器参数的自动选取,便于频域滤波的自动处理,以适应三维表面测量的系统配置和测试环境。该方法能自动适应傅立叶变换轮廓术系统光学结构和相关参数的变化,使傅立叶变换轮廓术发挥其动态测量的优势,实现现场不问断实时在线测量,在工程应用中有较大实用价值。
【关键词】：光栅投影轮廓术 相位展开 镜头畸变校正 标定 带通滤波器
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要6-8
• Abstract8-21
• 主要符号表21-23
• 1 绪论23-43
• 1.1 研究背景及意义23-26
• 1.1.1 应用领域23-24
• 1.1.2 光学三维轮廓测量技术概述24-26
• 1.2 光栅投影三维轮廓测量技术的基本原理26-29
• 1.2.1 光栅投影三维测量系统的光学结构26-27
• 1.2.2 高度与相位的关系27-28
• 1.2.3 条纹图分析方法28-29
• 1.3 光栅投影轮廓术国内外研究动态29-41
• 1.3.1 莫尔轮廓术29-30
• 1.3.2 相位测量轮廓术(PMP)30-31
• 1.3.3 傅立叶变换轮廓术(FTP)31-32
• 1.3.4 空间相位检测轮廓术(SPD)32
• 1.3.5 光栅投影轮廓术的国内外现状32-41
• 1.4 论文的研究内容41-43
• 2 基于掩模切断优化的二维相位展开方法研究43-65
• 2.1 引言43-44
• 2.2 二维相位展开的掩膜切断优化方法44-52
• 2.2.1 二维相位展开的基本原理44-46
• 2.2.2 相位数据的质量图46-47
• 2.2.3 Ghiglia和Pritt掩模切断方法简介47
• 2.2.4 具有掩模优化的掩模切断新方法47-52
• 2.3 实验及结果讨论52-63
• 2.3.1 IFSAR数据及两种方法的相位展开结果52-58
• 2.3.2 Sardegna ERS-1例子数据及两种方法的相位展开结果58-63
• 2.3.3 实验结果讨论63
• 2.4 本章小结63-65
• 3 光栅投影轮廓术中任意光学系统结构下的相位与高度关系65-96
• 3.1 引言65-66
• 3.2 一种新的相位差-高度关系66-70
• 3.3 光栅投影轮廓测量系统相位-高度关系的标定70-71
• 3.4 计算机仿真和结果讨论71-95
• 3.4.1 相机和投影仪都不存在镜头畸变72-75
• 3.4.2 相机镜头存在畸变75-78
• 3.4.3 投影仪镜头存在畸变78-81
• 3.4.4 相机镜头和投影仪镜头都存在畸变81-84
• 3.4.5 镜头存在多种畸变类型的情况84-88
• 3.4.6 进一步讨论88-95
• 3.5 本章小结95-96
• 4 基于平面单应性矩阵的相机镜头畸变校正方法96-123
• 4.1 引言96-97
• 4.2 相机镜头畸变模型97-100
• 4.2.1 具有畸变的相机模型97-98
• 4.2.2 镜头畸变模型98
• 4.2.3 镜头畸变模型分析98-100
• 4.3 用于畸变参数估计的代价函数100
• 4.4 基于平面单应性矩阵的畸变校正方法100-107
• 4.4.1 基于线性迭代的畸变参数粗估计101-104
• 4.4.2 畸变参数的精估计104-105
• 4.4.3 相机镜头畸变校正方法的完整过程105-107
• 4.5 实验及结果讨论107-122
• 4.5.1 仿真数据107-109
• 4.5.2 本章镜头畸变校正方法的性能109-119
• 4.5.3 实际数据的实验119-122
• 4.6 本章小结122-123
• 5 傅立叶变换轮廓术中带通滤波器参数的自动选取方法123-133
• 5.1 引言123
• 5.2 傅立叶变换轮廓术基本原理123-125
• 5.3 基频中心位置和扩展范围的自动选取125-129
• 5.3.1 基频中心位置的确定125-127
• 5.3.2 基频扩展范围的确定127
• 5.3.3 基频中心位置和扩展范围的自动选取方法127-129
• 5.4 实验结果与讨论129-132
• 5.5 本章小结132-133
• 6 结论与展望133-136
• 6.1 结论133-134
• 6.2 创新点摘要134-135
• 6.3 展望135-136
• 参考文献136-151
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果151-152
• 致谢152-153
• 作者简介153-154

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本文编号：575981