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数字条纹投影三维形貌测量技术

作　者: 朱昱
导　师: 卢荣胜
学　校: 合肥工业大学
专　业: 仪器仪表工程
关键词: 三维形貌测量格雷码法相移法傅里叶变换法系统标定
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 7次
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内容摘要

近些年随着数字成像和投影技术的发展，一种基于数字条纹投影的三维形貌测量技术变得越来越受欢迎。由于该技术具有高精度、全场、非接触、自动化和无损检测等优点而广泛应用于各个领域，比如安防系统、机械工程、虚拟现实、机器人导引和逆向工程等。基于数字条纹投影的三维形貌测量技术虽然开始应用于更多的测量场合，不过它仍存在一些难点问题，本文为了能够进一步提高测量的精度和鲁棒性，将致力于研究这一方法的主要技术，包括相移法、傅里叶变换法、格雷码法和系统标定等。相移法和傅里叶变换法是两种有效的相位提取方法。相移法的基本原理是投影多张相移条纹图到被测体表面，使用摄像机拍摄多张条纹图，并从中提取出相位信息。而傅里叶变换法则是将拍摄的条纹图从空域转到频率域，从而提取出相位主值信息。傅里叶变换法由于只需要拍摄一张图片，因此适合于动态测量，相比之下相移法则适合于测量静态场景，且其测量精度和空间分辨率比傅里叶变换法高。本文还介绍了几种常用的编解码方法，并分析了这些方法的优缺点和使用场合。在此基础上还主要研究了本测量系统将要用到的格雷码法，该方法能够有效减少不均匀的环境光和被测物体表面颜色丰富造成的干扰。为了满足实际的三维测量需求，本文基于条纹投影三维形貌测量技术研制一套三维扫描仪。搭建了由摄像机、投影仪、三脚架和计算机组成的硬件系统，并使用Matlab、C++、MFC、OpenCV等编程技术编写了三维形貌测量系统的软件界面和算法实现。为了进一步提高系统的测量精度和空间分辨率，改进了相移法使之能够提取绝对相位信息，改善了格雷码技术中的阈值化方法，改变了系统标定的投影方式。最后，本文通过利用该系统对测试工件做垂直度分析，对黑色平板做三维形貌恢复实验，实验结果表明本文搭建的测量系统具有测量精度较高、操作比较方便、设备成本低廉等特点。

全文目录

致谢  7-8
摘要  8-9
ABSTRACT  9-14
第一章绪论  14-20
  1.1 引言  14-15
  1.2 光学三维形貌测量技术  15-17
  1.3 条纹投影法  17-19
    1.3.1 格雷码法  17
    1.3.2 傅里叶变换法  17
    1.3.3 相移法  17-19
  1.4 研究目的及研究内容  19-20
第二章数字条纹投影三维形貌测量的基本原理  20-31
  2.1 测量原理  20-22
  2.2 相移技术  22-27
    2.2.1 四步相移法  22-23
    2.2.2 三步相移法  23-24
    2.2.3 （2+1）相移法  24
    2.2.4 相移法仿真实验  24-27
  2.3 傅里叶变换法  27-30
  2.4 本章小结  30-31
第三章相位解包裹  31-38
  3.1 行列逐点法  31-33
  3.2 基于 PCG 的加权最小二乘解包裹算法  33-35
    3.2.1 算法基本原理  34
    3.2.2 算法实现过程  34-35
  3.3 基于质量图引导的非连续路径积分法  35-37
    3.3.1 可靠度函数  35-36
    3.3.2 解包裹路径  36-37
  3.4 本章小结  37-38
第四章格雷码法  38-46
  4.1 常用的编解码方法  38-39
    4.1.1 时间编码方法  38
    4.1.2 空间编码方法  38-39
    4.1.3 直接编码方法  39
  4.2 格雷码法原理  39-41
  4.3 阈值化处理  41-45
    4.3.1 简单阈值化  42-43
    4.3.2 最优阈值化  43-44
    4.3.3 多光谱阈值化  44
    4.3.4 改进阈值化  44-45
  4.4 本章小结  45-46
第五章系统标定  46-58
  5.1 传统几何参数法  46-48
  5.2 基于投影彩色棋盘格的系统标定方法  48-57
    5.2.1 摄像机标定  48-50
    5.2.2 投影仪标定  50-53
    5.2.3 系统参数标定  53
    5.2.4 绝对相位的求取  53-54
    5.2.5 从绝对相位到三维点坐标的求取  54
    5.2.6 系统标定实验  54-57
  5.3 本章小结  57-58
第六章测量系统设计和实验分析  58-68
  6.1 测量系统设计  58-61
    6.1.1 系统硬件设计  58-60
    6.1.2 系统软件设计  60-61
  6.2 基于相移法的三维形貌测量实验和分析  61-64
    6.2.1 实验方案  61-62
    6.2.2 实验步骤和结果  62-64
  6.3 基于格雷码法的三维形貌测量实验和分析  64-67
    6.3.1 实验方案  64-65
    6.3.2 实验步骤和结果  65-67
  6.4 本章小结  67-68
第七章总结及展望  68-70
  7.1 工作总结  68-69
  7.2 未来展望  69-70
参考文献  70-73
攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况  73-74

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