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基于结构光的三维轮廓测量系统研究

作　者: 胡法荣
导　师: 林斌
学　校: 浙江大学
专　业: 光学工程
关键词: 三维轮廓测量 FPGA+DSP 微型投影 查找表 高度映射优化
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


光学三维轮廓测量技术在自动化检测、汽车等工业设计、生物医学、虚拟现实和安防领域得到了广泛的关注和应用。光学三维测量方法具有非接触性、无损耗、可全场扫描、测量精度高等优点,已成为研究热点。本文主要选取傅里叶变换轮廓术和相移法作为三维轮廓测量系统的理论方法。目前三维轮廓测量系统大多基于PC系统,嵌入式专用化测量尚未成熟,而由于三维轮廓测量包含大量相位求解和相位展开等运算,所以不利于在通用计算机上实现快速测量。为此,本文提出了相应的改进研究,主要工作如下：(1)设计并实现了基于FPGA+DSP的三维轮廓测量系统,包含条纹设计生成、条纹输出投影、图像采集与数据处理模块。其中使用Cyclone系列FPGA设计实现正弦条纹编码,采用DVI技术实现RGB图像信号与LCoS微型投影仪之间的传输。由于FPGA时序准确、DVI技术抗干扰性好,可在720p微型投影仪上实现良好的相位条纹图投影,并从调制系数、光强和Gamma效应等方面改进条纹质量。利用DM642核心的DSP板卡系统实现图像采集与数据处理,通过FPGA标志信号读入CCD图像传感器采集的待测区域数据,凭借DSP良好的运算性能,快速地实现三维测量中相位求解和空域相位展开等算法。(2)针对相移法相位求解中常用的反正切运算,提出基于查找表结构的算法优化,以较小的空间资源换取相位求解速度的提高,通过相移法实验表明,基于LUT算法可有效减少反正切运算时间。(3)搭建稳定可调的光学平台,对相位高度映射标定方法,采用优化参数组合来减少测量误差,结合条纹改进,正常测量下实验精度达到0.9mm.并具体分析基于傅里叶变换轮廓术和三步相移算法的软硬件整体方案,进行实验测量。

全文目录


致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 研究背景及意义  10
    1.1.1 研究背景  10
    1.1.2 研究意义  10
  1.2 三维轮廓技术的研究现状  10-16
    1.2.1 傅里叶变换轮廓术  14-15
    1.2.2 时域相位测量轮廓术  15-16
  1.3 嵌入式测量系统研究现状  16
  1.4 本文主要内容  16-18
第二章 结构光投影三维测量原理  18-32
  2.1 光栅投影三维测量原理概述  18-19
  2.2 相位解调方法简介  19-24
    2.2.1 傅里叶变换轮廓术  20-21
    2.2.2 相移法  21-24
  2.3 相位展开  24-31
    2.3.1 时域相位展开  26-27
    2.3.2 空域相位展开  27-31
  2.4 本章小结  31-32
第三章 基于FPGA和DSP的三维测量研究  32-50
  3.1 总体设计与模块  32-33
    3.1.1 整体设计  32-33
    3.1.2 功能模块  33
  3.2 基于FPGA的结构光编码  33-38
    3.2.1 FPGA硬件方案  33-34
    3.2.2 FPGA软件设计  34-38
  3.3 投影系统与条纹改进研究  38-45
    3.3.1 DVI接口设计  39-42
    3.3.2 基于LCoS微投的条纹改进研究  42-45
  3.4 数字信号处理DSP系统  45-49
    3.4.1 DSP板卡系统平台  45-46
    3.4.2 软件设计与实现  46-49
  3.5 本章小结  49-50
第四章 三维测量系统实验与改进  50-65
  4.1 系统实验平台  50-53
    4.1.1 硬件系统实现  50-51
    4.1.2 软件系统实现  51-53
  4.2 三维测量标定与测量误差  53-56
    4.2.1 系统标定方法  53-54
    4.2.2 测量误差分析  54-56
  4.3 系统实验与改进研究  56-64
    4.3.1 傅里叶变换轮廓术实现  56-57
    4.3.2 三步相移算法实现  57-60
    4.3.3 基于LUT的算法改进研究  60-64
  4.4 本章小结  64-65
第五章 总结与展望  65-67
  5.1 总结  65-66
  5.2 展望  66-67
参考文献  67-71
作者简历及科研成果  71

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 数据处理、数据处理系统
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