条纹投射技术中的全参数标定及畸变校正
发布时间：2021-10-27 11:51
条纹投射技术具有非接触、高效率、高精度、全场信息获取等优点,是光学三维测量领域最具代表性的实用技术之一,在工业及民用领域的许多方面已得到广泛应用。但是,现有条纹投射技术尚存在一些问题,制约着其测量精度和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;条纹图像分析方法的精度、效率或计算复杂性有待改进等。本文围绕着条纹投射技术中的系统全参数标定、畸变校正、三维重建、相位计算和相位误差补偿问题开展相关研究,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全参数标定本文依据摄像机的成像模型,推导出投影机的投影模型,以此为基础,建立测量系统的模型,确定条纹图像与被测物体空间三维坐标之间的映射关系。借助于张正友平面标定法对摄像机进行标定,获取其内外参数和畸变参数。由于投影机不具备拍摄图像的功能,无法直接获得其图像平面上的像素坐标,以至于难以对其进行标定。为此,本文提出了一种投影机参数迭代标定算法。该算法利用标定板在水平和竖直两个方向上的绝对相位,建立摄像机图像像素点与投影机图像像素点之间的对应关系。采用有理函数对这两个方...
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
立体视觉三维测量示意图[15]
第一章绪论5根据阴影（Shading）、纹理（Texture）、光度立体（PhotometricStereo）等信息恢复面形的技术统称为ShapeFromX技术，由于其不存在三角测量中的光照阴影等问题，因而可归类于单静态测量[19]。这类面形恢复技术的缺点在于对被测物面、光照等因素的先验知识要求较多，处理条件严格受限，而且测量精度较低。(7)结构光技术（StructuredLightTechnique）[20]结构光技术是一种应用较为灵活的主动式三角测量技术。其原理是利用结构光源投射结构光至被测物面，由图像传感器记录下其在物面上的位移或变形，再采用适当的方法从记录图像中解调出被测物体的三维面形数据。根据照射系统采用的结构光源不同，结构光测量方法可划分为：点结构光法、线结构光法和面结构光法。点结构光法采用逐点扫描的方式工作，测量时间长；线结构光法相对点结构光法，扫描速度较快，但受限于物体表面特性和反射率，例如对偏暗表面、镜面反射和透明材料的测量会很困难。图1.3为线结构光三维测量示意图。图1.3线结构光三维测量示意图[21]相对点结构光法和线结构光法，采用投射面结构光的方式能快速实现全场测量。例如，光栅投射技术就是一种典型的面结构光方法，如图1.4所示。为了提高光栅投射测量的可靠性，需要对光栅进行编码。编码方式包括彩色编码、二进制编码、相位编码等。这些编码方法将在1.3节中详细讨论。在这类全场方式的结构光测量技术中，若只依靠单帧图像恢复三维面形，则测量分辨率会有所下降。因此，可采用相位编码结合相移技术来克服此缺点，以提高分辨率。
上海大学博士学位论文：条纹投射技术中的全参数标定及畸变校正6图1.4光栅投影三维测量示意图[6]综上所述，光学三维测量技术提供了基于各种不同原理的测量方法，以适应工程应用中不同测量精度与分辨率的要求。而对于同样精度与分辨率之要求，可以根据环境、对象等特定因素的不同再选择合适的测量方法。1.2.2应用领域光学三维测量技术具有的高精度、高效率以及非接触等优点，使其在多个领域都得到了广泛的应用，具体如下：(1)工业制造光学三维测量技术已成为现代化工业制造中不可或缺的一部分，其担负着保证产品质量与提高生产效率的重任。利用该技术对物体进行测量能准确重建出物体的三维形貌，从而为先进制造、表面检测、自动装配等行业提供有效指导。若将光学三维测量技术与CAD/CAM相结合，则通过对比物体的三维测量数据与CAD模型，可判断出物体是否发生形变，从而为产品质量控制、应力分析、碰撞测试等领域提供更全面的可视化分析手段。为了满足现代工业设计中对功能多样化和产品精细化的要求，还可利用光学三维测量技术来构建逆向工程系统[22-26]。所谓逆向工程就是依据现有的产品，对其进行内外轮廓的三维测量，再将这些测量数据转换为对应的数学模型，用于进一步设计和改进产品。光学三维测量技术能快速获取产品的三维数据，极大地缩短了产品的开发周期，提高了工作效率。图1.5给出了光学三维测量技术在现代工业制造中的几个应用实例。
【参考文献】：
期刊论文
[1]傅里叶变换轮廓术中带通滤波器窗口参数的自动选取方法[J]. 高大鹏,殷福亮. 信号处理. 2014(05)
[2]敦煌学数字化研究综述[J]. 韩春平. 敦煌学辑刊. 2009(04)
[3]基于Mexican hat小波变换的三维轮廓术[J]. 周翔,赵宏. 光学学报. 2009(01)
[4]单摄像机结构光扫描系统中投影仪标定技术[J]. 戴小林,钟约先,袁朝龙,马扬飚. 机械设计与制造. 2008(08)
[5]三维数字化技术在三星堆遗址中的应用[J]. 刘江涛,张爱武. 首都师范大学学报(自然科学版). 2007(04)
[6]光学三维轮廓测量技术进展[J]. 李永怀,冯其波. 激光与红外. 2005(03)
[7]伸缩窗口傅里叶变换在三维形貌测量中的应用[J]. 翁嘉文,钟金钢. 光学学报. 2004(06)
[8]傅里叶变换轮廓术中抑制零频的新方法[J]. 陈文静,苏显渝,曹益平,向立群. 中国激光. 2004(06)
[9]加窗傅里叶变换在三维形貌测量中的应用[J]. 翁嘉文,钟金钢. 光子学报. 2003(08)
[10]一种基于Kruppa方程的摄像机线性自标定方法[J]. 李析,郑南宁,程洪. 西安交通大学学报. 2003(08)
博士论文
[1]三维扫描仪与逆向工程关键技术研究[D]. 胡寅.华中科技大学 2005
[2]动态过程三维面形测量技术研究[D]. 张启灿.四川大学 2005
[3]航空发动机叶片三维轮廓测量方法研究[D]. 王军.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2005
[4]多孔径拼接技术实现360°面形测量[D]. 郭红卫.上海大学 2001
本文编号：3461545
【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
立体视觉三维测量示意图[15]
第一章绪论5根据阴影（Shading）、纹理（Texture）、光度立体（PhotometricStereo）等信息恢复面形的技术统称为ShapeFromX技术，由于其不存在三角测量中的光照阴影等问题，因而可归类于单静态测量[19]。这类面形恢复技术的缺点在于对被测物面、光照等因素的先验知识要求较多，处理条件严格受限，而且测量精度较低。(7)结构光技术（StructuredLightTechnique）[20]结构光技术是一种应用较为灵活的主动式三角测量技术。其原理是利用结构光源投射结构光至被测物面，由图像传感器记录下其在物面上的位移或变形，再采用适当的方法从记录图像中解调出被测物体的三维面形数据。根据照射系统采用的结构光源不同，结构光测量方法可划分为：点结构光法、线结构光法和面结构光法。点结构光法采用逐点扫描的方式工作，测量时间长；线结构光法相对点结构光法，扫描速度较快，但受限于物体表面特性和反射率，例如对偏暗表面、镜面反射和透明材料的测量会很困难。图1.3为线结构光三维测量示意图。图1.3线结构光三维测量示意图[21]相对点结构光法和线结构光法，采用投射面结构光的方式能快速实现全场测量。例如，光栅投射技术就是一种典型的面结构光方法，如图1.4所示。为了提高光栅投射测量的可靠性，需要对光栅进行编码。编码方式包括彩色编码、二进制编码、相位编码等。这些编码方法将在1.3节中详细讨论。在这类全场方式的结构光测量技术中，若只依靠单帧图像恢复三维面形，则测量分辨率会有所下降。因此，可采用相位编码结合相移技术来克服此缺点，以提高分辨率。
上海大学博士学位论文：条纹投射技术中的全参数标定及畸变校正6图1.4光栅投影三维测量示意图[6]综上所述，光学三维测量技术提供了基于各种不同原理的测量方法，以适应工程应用中不同测量精度与分辨率的要求。而对于同样精度与分辨率之要求，可以根据环境、对象等特定因素的不同再选择合适的测量方法。1.2.2应用领域光学三维测量技术具有的高精度、高效率以及非接触等优点，使其在多个领域都得到了广泛的应用，具体如下：(1)工业制造光学三维测量技术已成为现代化工业制造中不可或缺的一部分，其担负着保证产品质量与提高生产效率的重任。利用该技术对物体进行测量能准确重建出物体的三维形貌，从而为先进制造、表面检测、自动装配等行业提供有效指导。若将光学三维测量技术与CAD/CAM相结合，则通过对比物体的三维测量数据与CAD模型，可判断出物体是否发生形变，从而为产品质量控制、应力分析、碰撞测试等领域提供更全面的可视化分析手段。为了满足现代工业设计中对功能多样化和产品精细化的要求，还可利用光学三维测量技术来构建逆向工程系统[22-26]。所谓逆向工程就是依据现有的产品，对其进行内外轮廓的三维测量，再将这些测量数据转换为对应的数学模型，用于进一步设计和改进产品。光学三维测量技术能快速获取产品的三维数据，极大地缩短了产品的开发周期，提高了工作效率。图1.5给出了光学三维测量技术在现代工业制造中的几个应用实例。
【参考文献】：
期刊论文
[1]傅里叶变换轮廓术中带通滤波器窗口参数的自动选取方法[J]. 高大鹏,殷福亮. 信号处理. 2014(05)
[2]敦煌学数字化研究综述[J]. 韩春平. 敦煌学辑刊. 2009(04)
[3]基于Mexican hat小波变换的三维轮廓术[J]. 周翔,赵宏. 光学学报. 2009(01)
[4]单摄像机结构光扫描系统中投影仪标定技术[J]. 戴小林,钟约先,袁朝龙,马扬飚. 机械设计与制造. 2008(08)
[5]三维数字化技术在三星堆遗址中的应用[J]. 刘江涛,张爱武. 首都师范大学学报(自然科学版). 2007(04)
[6]光学三维轮廓测量技术进展[J]. 李永怀,冯其波. 激光与红外. 2005(03)
[7]伸缩窗口傅里叶变换在三维形貌测量中的应用[J]. 翁嘉文,钟金钢. 光学学报. 2004(06)
[8]傅里叶变换轮廓术中抑制零频的新方法[J]. 陈文静,苏显渝,曹益平,向立群. 中国激光. 2004(06)
[9]加窗傅里叶变换在三维形貌测量中的应用[J]. 翁嘉文,钟金钢. 光子学报. 2003(08)
[10]一种基于Kruppa方程的摄像机线性自标定方法[J]. 李析,郑南宁,程洪. 西安交通大学学报. 2003(08)
博士论文
[1]三维扫描仪与逆向工程关键技术研究[D]. 胡寅.华中科技大学 2005
[2]动态过程三维面形测量技术研究[D]. 张启灿.四川大学 2005
[3]航空发动机叶片三维轮廓测量方法研究[D]. 王军.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2005
[4]多孔径拼接技术实现360°面形测量[D]. 郭红卫.上海大学 2001
本文编号：3461545
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