三维曲面测量的编码结构光技术研究

发布时间：2018-05-26 18:15

  本文选题：结构光三维测量 + 测量精度　； 参考：《上海大学》2015年博士论文

【摘要】：结构光三维测量技术具有非接触、精度高、速度快、低成本、大工作距离、适用范围广以及易于实现等特点,广泛应用于机械制造、工业检测、逆向工程、物体识别、虚拟现实和医学诊断等领域。尽管许多研究者对结构光三维测量技术中的单幅图像三维测量法和多幅图像三维测量法进行了大量研究,开发了众多不同的测量系统,但由于测量过程中存在许多复杂影响因素,如:物体表面颜色、阴影、遮挡、纹理、陡坡、互反射效应、离焦效应、子表面散射效应、光源的不稳定性、亮度噪声和环境光等,测量精度有待于进一步提高。因此,本文以结构光系统参数标定、单幅图像三维测量法中的彩色编码结构光、多幅图像三维测量法中的聚焦投影相位测量轮廓术和离焦投影相位测量轮廓术为研究对象,力图进一步提高结构光系统参数的标定精度和在复杂因素影响下彩色编码结构光的解码精度、聚焦投影相位测量轮廓术和离焦投影相位测量轮廓术的解卷绕精度。系统参数标定是结构光三维测量技术中的关键问题之一,其标定精度直接影响三维测量的精度。为此,本文提出了一种简单、高精度的系统参数标定算法。该算法通过投影采用伪随机编码原理生成彩色编码图案结合射影变换原理建立摄像机图像和投影仪图像之间的对应关系,根据此对应关系,将棋盘格角点在摄像机图像上的坐标转换至投影仪图像上,从而实现摄像机和投影仪的同时标定,再利用彩色编码图案的桥梁作用对系统的外参数进行了整体优化,进而完成系统标定。此算法简单、有效、适宜于现场标定,且标定精度可达0.3像素。彩色编码结构光在拍摄图像成像过程中受到物体表面颜色、阴影、遮挡、纹理、陡坡和颜色串扰等复杂因素的影响,导致解码精度下降。本文针对彩色高斯条纹和彩色带状条纹提出了两种解码方法以提高解码精度,即:硬值解码方法和软值解码方法,具体分为三步:首先采用相应的特征检测方法获取特征点的具体位置信息;然后利用模糊C均值聚类算法和颜色分辨能力较强的颜色特征识别特征点的颜色;最后利用分步窗口匹配方法确立特征点之间的对应关系。两种解码方法的不同之处在于硬值解码方法是利用特征点的实际码字进行特征匹配,而软值解码方法是利用特征点的模糊码字进行特征匹配。此外,在采用时空分析法获得基准数据的基础上,通过实验证明了采用与传感器和物体表面反射率相关度较大,而与照射光的波长、方向和强度、以及物体表面方向等因素相关度较小的颜色特征进行颜色识别时能获得很好的颜色识别效果;软值解码方法的解码精度高于硬值解码方法;硬值解码方法的解码速度优于软值解码方法。聚焦投影相位测量轮廓术由于测量过程中存在互反射效应、离焦效应和子表面散射效应等因素,导致解卷绕精度下降。为此,本文提出一种与微相移方法相比具有更小卷绕相位误差的微相位测量轮廓术以减小复杂因素的影响,从而提高解卷绕精度。该方法将投影光栅图像的频率限制在一个高频窄带内。此外,利用健壮中国剩余定理与多步相移的卷绕相位标准差,结合微相移的定义,提出了微相位测量轮廓术的选频准则,然后采用封闭式健壮中国剩余定理算法对微相位测量轮廓术进行精确地解卷绕。最后通过实验证明了提出的微相位测量轮廓术在选择符合选频准则的频率时不仅能够有效地减小三维测量过程中由复杂因素所带来的影响,且具有精度高、效率高、鲁棒性强等特点。与聚焦投影相位测量轮廓术相似,离焦投影相位测量轮廓术在测量过程中同样存在复杂因素的影响。本文在介绍各种一维离焦投影条纹法和二维离焦投影条纹法后,利用蛇形扫描法改进二维离焦投影条纹法中的Floyd-Steinberg误差扩散抖动算法以生成更理想的正弦光栅条纹,然后从理论角度分别全面地比较研究一维离焦投影条纹法和二维离焦投影条纹法,仿真证明了在一维投影离焦条纹生成法中最优脉宽调制方法在相移步数和条纹周期一定,而离焦度不同的情形下,其卷绕相位误差小于二值方波条纹方法、正弦脉宽调制方法和三值正弦脉宽调制方法;在二维投影离焦条纹生成法中,改进的Floyd-Steinberg误差扩散抖动算法的卷绕相位误差小于Bayer有序抖动算法、Floyd-Steinberg误差扩散抖动算法、Stucki误差扩散抖动算法。然后,提出了一种混合离焦投影相位测量轮廓术以减小复杂因素对解卷绕精度的影响。该方法利用最优脉宽调制方法和改进的Floyd-Steinberg误差扩散抖动算法分别离焦投影生成高频光栅条纹和低频光栅条纹,结合四步相移算法和多频相位解卷绕法获得对应性。最后通过实验证明了提出的混合离焦投影相位测量轮廓术不仅能够有效地减小由复杂因素产生的影响,而且解卷绕精度远远高于单独采用基于最优脉宽调制方法的相位测量轮廓术和基于改进的Floyd-Steinberg误差扩散抖动算法的相位测量轮廓术。最后,本文开发了一套以结构光三维测量技术为核心的三维面形测量系统,并以航空发动机叶片为试验对象开展了探索性三维测量,测量效果良好。
[Abstract]:This paper presents a simple , high - precision system parameter calibration algorithm , which is characterized by non - contact , high precision , fast speed , low cost , large working distance , wide application range and easy realization . This paper presents two decoding methods to improve the accuracy of decoding . In addition , the method of soft value decoding is better than hard value decoding method . In addition , it is proved that the method of soft value decoding is better than hard value decoding method , and the method of decoding soft value is better than the soft value decoding method .
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
，

本文编号：1938353