数字投影结构光三维测量方法研究

发布时间：2017-05-21 08:23

  本文关键词：数字投影结构光三维测量方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：人类所处的物理世界空间是三维的,任何实物都以三维的方式呈现。随着社会的进步发展,三维信息获取技术面临越来越大的社会需求。数字结构光三维测量方法作为当前重要的测量手段,一直是研究的热点之一。但该技术仍然受到投影非线性效应和相位解包裹两大难题的制约。围绕数字投影结构光三维测量方法中的两个难点问题,论文开展了基于参考平面法的投影非线性效应研究和离焦Dither结构光图案的相位特性研究,分别提出了两种克服非线性效应的数字投影结构光三维测量新方法；然后,论文通过对克服非线性效应的绝对相位编码方法的深入研究,提出两种克服非线性效应的阶梯相位编码新方法和一种克服非线性效应的绝对相位编码方法的定标与三维重构新方法。论文主要工作内容包括四个方面：1、论文研究了数字投影非线性效应对基于相移法的参考平面结构光三维重构的影响关系,提出了相应的相位轮廓误差公式,在此基础上分析了误差波动振幅与相位、消相位轮廓误差平面位置和极大相位轮廓误差位置等重要特性,并通‘过相关实验证实了理论推导的消相位轮廓误差位置等误差特性关系。2、论文在深入阐述了离焦二元编码结构光三维测量方法的编码原理与离焦特性的基础上,对离焦Floyd-Steiberg Dithering算法正弦结构光图案的相位偏移特性进行研究,发现由于该算法的非对称式误差扩散将导致相位偏移量；通过模拟分析和实验验证,获得了该算法中两种扫描方式对不同条纹宽度、不同离焦量和不同相移步数的投影结构光图案产生的相位偏移量误差结果。3、论文对投影结构光三维测量的非线性效应克服方法进行了研究,提出了三极脉宽编码的二元编码转换方案和基于参考平面滤波的结构光投影非线性校正方法,实现了在避免投影仪非线性效应标定的情况下的非线性效应消除。(1)三极脉宽编码的二元编码转换方案利用两组二元结构光编码图案代替一组三极脉宽编码图案,在避免投影仪非线性效应标定的情况下,实现了三极脉宽编码方法的无非线性效应三维测量效果。(2)基于参考平面滤波的结构光投影非线性校正方法从滤除非线性谐波项的参考平面的结构光图像中获取误差相位的相位补偿表,用于对场景相位图进行相位误差补偿,在避免投影仪非线性效应标定的情况下,大大消除结构光三维测量的非线性效应误差。4、论文对克服非线性效应的绝对相位编码技术进行研究,提出了两种阶梯相位编码方法(对称式和非对称式二元区块相移编码方法)和一种基于绝对相位三维映射的离焦系统三维重构方法。即：(1)两种新的阶梯相位编码方法(对称式和非对称式二元区块相移编码方法)只需要简单的二元区块进行图案编码,并利用传统等步距相移算法解码,在避免投影仪非线性效应标定的情况下,实现对场景图像进行多级阶梯相位编码。(2)基于绝对相位三维映射的离焦系统三维重构方法,利用双频离焦二元结构光编码方法,在避免投影仪非线性效应标定的情况下,获得场景绝对相位编码；利用每个点的绝对相位编码直接映射到三个空间维度坐标的方法,获得三维重构图像,消除了某个坐标信息对其他坐标的误差影响；通过“已知平面点的三维重构”的方法,获得三维标定信息,无需高精度的标定器件即可实现简单精确的系统标定。通过本论文的研究工作,数字投影结构光三维测量方法的非线性效应特性更加清晰明确,而克服其非线性效应的手段也进一步丰富,为该方法的实用化提供了保障。
【关键词】：结构光三维测量 非线性效应 绝对相位编码 离焦投影 二元编码图案
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-9
• Abstract9-14
• 第1章 绪论14-24
• 1.1 光学三维测量技术简介14-15
• 1.2 数字投影结构光三维测量方法的国内外研究现状15-18
• 1.2.1 相移法15-16
• 1.2.2 傅立叶变换轮廓术16-17
• 1.2.3 数字投影结构光三维测量方法的学术研究和产品化17-18
• 1.3 数字投影结构光三维测量方法面临的问题18-21
• 1.3.1 数字投影结构光三维测量非线性的标定和校正19
• 1.3.2 数字投影结构光三维测量非线性问题的避免19-20
• 1.3.3 相位包裹问题克服20-21
• 1.4 本课题的研究内容和结构安排21-24
• 第2章 数字投影结构光三维测量的非线性效应研究24-58
• 2.1 引言24
• 2.2 结构光三维测量系统及其非线性效应24-30
• 2.2.1 数字投影结构光三维测量系统原理24-28
• 2.2.2 结构光三维测量系统的非线性效应28-30
• 2.3 参考平面法结构光三维重构中相移法的非线性效应研究30-56
• 2.3.1 参考平面结构光三维重构中相移法的相位轮廓误差模型30-32
• 2.3.2 参考平面结构光三维重构中相移法的相位轮廓误差特性分析32-38
• 2.3.3 四步和五步相移法时的情况38-40
• 2.3.4 数值模拟40-48
• 2.3.5 实验与结果48-56
• 2.3.6 相位轮廓误差的意义和应用可能性讨论56
• 2.4 本章小结56-58
• 第3章 离焦二元编码结构光三维测量及其性质研究58-78
• 3.1 引言58
• 3.2 离焦投影光学系统与二元编码结构光技术58-66
• 3.2.1 离焦投影模型58-59
• 3.2.2 正弦型结构光图案59-60
• 3.2.3 矩形波型结构光图案60-62
• 3.2.4 Floyd-Steinberg Dithering算法二值化正弦型结构光图案62-64
• 3.2.5 脉宽调制方法二值化正弦型结构光图案64-66
• 3.3 相移法中离焦Floyd-Steiberg Dithering图案的误差66-76
• 3.3.1 Floyd-Steiberg Dithering算法误差扩散非对称性的影响66-67
• 3.3.2 Floyd-Steiberg Dithering算法非对称性数值模拟67-72
• 3.3.3 Floyd-Steiberg Dithering算法非对称性实验测试72-76
• 3.3.4 结果讨论76
• 3.4 本章小结76-78
• 第4章 数字投影结构光三维测量非线性问题克服研究78-94
• 4.1 引言78
• 4.2 基于三极脉宽调制的二元结构光编码方法78-85
• 4.2.1 三极脉宽调制结构光图案的二元灰度值替代方法79-81
• 4.2.2 数值仿真、实验和结果讨论81-85
• 4.3 基于参考面滤波的数字投影结构光三维测量非线性校正方法85-92
• 4.3.1 参考平面滤波法数字投影结构光三维测量非线性校正85-86
• 4.3.2 滤波效果数值模拟分析86-89
• 4.3.3 实验验证89-91
• 4.3.4 结果讨论91-92
• 4.4 本章小结92-94
• 第5章 绝对相位编码中的投影非线性克服研究94-132
• 5.1 引言94
• 5.2 两种新的二元编码结构光阶梯相位编码方法94-114
• 5.2.1 对称式二元区块相移编码方法95-99
• 5.2.2 非对称式二元区块相移编码方法99-103
• 5.2.3 阶梯相位编码重构实验103-109
• 5.2.4 绝对相位重构实验与后部前移相位解包裹方法109-114
• 5.3 基于绝对相位三维映射的离焦系统三维重构方法114-129
• 5.3.1 双频相移算法115-116
• 5.3.2 已知平面上点的三维坐标重构116-117
• 5.3.3 相位与三维坐标关系117-118
• 5.3.4 系统构建与标定118-123
• 5.3.5 实验结果与讨论123-129
• 5.4 本章小结129-132
• 第6章 总结与展望132-136
• 6.1 总结132-134
• 6.2 展望134-136
• 参考文献136-150
• 攻读博士学位期间主要的研究成果150

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 周鸿,赵宏;一种用线阵CCD测量物体表面三维轮廓的新方法[J];半导体光电;2001年06期

2 张启灿,苏显渝;动态液面面形测量[J];光学学报;2001年12期

3 程菊;苏显渝;;位相测量轮廓术中二元误差扩散光栅的应用研究[J];淮阴师范学院学报(自然科学版);2008年03期

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本文编号：383118