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相位辅助光学三维测量系统的标定方法

作　者: 殷永凯
导　师: 彭翔
学　校: 天津大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 光学三维测量标定中心定位光束平差测量网相位辅助
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

相位辅助光学三维测量技术具有测量精度高、数据密度大、测量速度快、系统结构简单、普适性和灵活性好等优点，是基于结构照明的光学三维测量中极具代表性的一类方法，在工业制造、测绘导航、文化遗产、医学诊疗、影视娱乐等各个领域有着日趋广泛的应用。本论文主要针对相位辅助光学三维测量系统的标定方法及其相关技术展开研究，旨在提高测量系统的标定精度，寻找可行性更高的现场标定方法。在概括介绍相位辅助光学三维测量的基本原理、国内外研究现状、发展趋势以及关键技术的基础上，论文重点对决定系统标定精度的两个要素——基准点的图像坐标和基准点的三维坐标进行了分析研究。圆形标志点是标定所用基准点的常见形态，为了准确地获得圆形标志点图像的中心坐标，基于余误差函数的椭圆旋转变换对圆形标志点图像邻域的灰度分布进行曲面建模，实现了基于曲面拟合的亚像素精度的中心定位。模拟和实际的实验均证明，该方法对图像中的噪声表现出了较好的鲁棒性。讨论了由于透视投影的非对称性导致的中心定位偏差，结合Chen的基于圆的相机标定技术以及Heikkil的偏差模型来对上述中心定位偏差进行了修正。单目的“相机-投影仪”结构是基于相位辅助光学三维测量技术的三维传感器的常见配置。针对单目三维传感器标定所常用的平面标靶，设计了一种基于位置关系不变性实现基准点自动编码的平面标靶图案，用于方便地对传感器进行标定。考虑到投影仪和相机在模型上的等价性，将光束平差原理引入单目三维传感器的标定中，从根本上减小了由于基准点三维坐标的不确定度所引入的系统误差。实验证明该方法可以利用制作精度较低的标靶实现较高精度的标定。在测量拓扑复杂、尺度较大的物体时，一个可行性较高的方案是利用多个双目传感器构成多节点三维测量网来进行测量。通过对已有文献的分析可知，三维标靶是最适用于测量网标定的标靶。为此，首先以编码标志点为基准点来构造自适应测量空间的三维标靶，然后运用欧氏重建和光束平差技术精确重建基准点的三维坐标，最后利用重构后的标靶方便地进行多节点三维测量网的标定。对上述过程中的标靶重建精度和系统标定精度进行了小尺度下的实验验证。将上述测量网的标定方法应用于一个工程案例，对某石英陶瓷坩埚自动检测系统中的三节点测量网进行了实际标定。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-29
  1.1 光学三维测量简介  9-19
    1.1.1 典型技术  9-16
    1.1.2 应用领域  16-19
  1.2 相位辅助光学三维测量  19-26
    1.2.1 结构光编码与相位编码  19-21
    1.2.2 工作原理  21-22
    1.2.3 系统标定  22-24
    1.2.4 国内外研究现状与发展趋势  24-26
  1.3 本论文的研究背景及主要创新点  26-29
    1.3.1 课题来源  26
    1.3.2 主要研究内容和创新点  26-29
第二章相位辅助光学三维测量系统的基本原理  29-44
  2.1 双目三维传感器  29-35
    2.1.1 相机模型  29-32
    2.1.2 双目传感器模型  32-33
    2.1.3 双目传感器标定  33-34
    2.1.4 影响标定精度的因素分析  34-35
  2.2 单视点深度像  35-39
    2.2.1 相位重建  35-38
    2.2.2 对应点搜索  38-39
  2.3 深度数据的后处理  39-43
    2.3.1 深度像匹配  39-41
    2.3.2 深度像融合  41-42
    2.3.3 几何模型简化  42-43
  2.4 本章小结  43-44
第三章圆形标志点的中心定位  44-66
  3.1 标志点的自动识别  44-46
    3.1.1 边缘检测  44-45
    3.1.2 目标识别  45-46
  3.2 基于曲面拟合的亚像素中心定位  46-55
    3.2.1 算法原理  47-49
    3.2.2 参数估计  49-50
    3.2.3 实验结果  50-55
  3.3 中心定位投影偏差的分析和修正  55-64
    3.3.1 中心定位偏差分析  56-58
    3.3.2 中心定位偏差修正  58-64
  3.4 本章小结  64-66
第四章单目三维传感器的标定  66-81
  4.1 单目传感器标定的基本论述  66-69
    4.1.1 单目传感器系统模型  66-68
    4.1.2 单目传感器标定的基本原理  68-69
  4.2 标靶图案设计  69-72
  4.3 基于光束平差的单目传感器标定  72-79
    4.3.1 基本原理  72-73
    4.3.2 算法分析  73-75
    4.3.3 实验结果  75-79
  4.4 本章小结  79-81
第五章多节点三维测量网的标定  81-98
  5.1 多节点三维测量网标定的一般论述  81-83
    5.1.1 多节点三维测量网模型  81-82
    5.1.2 多节点三维测量网标定的基本原理  82-83
    5.1.3 测量网标定的研究现状  83
  5.2 编码标志点的设计与解码  83-87
    5.2.1 编码标志点的设计  84-86
    5.2.2 编码标志点的解码  86-87
  5.3 基于自适应标靶的三维测量网标定  87-92
    5.3.1 自适应标靶的构造  87-92
    5.3.2 三维测量网的标定  92
  5.4 测量网标定的实验验证  92-96
    5.4.1 标靶重构实验  92-95
    5.4.2 测量网标定实验  95-96
  5.5 本章小结  96-98
第六章三维测量网应用案例研究——石英陶瓷坩埚自动检测  98-111
  6.1 自动检测的需求  98-99
  6.2 检测系统方案设计  99-101
  6.3 三维数据采集  101-104
    6.3.1 系统标定  101-104
    6.3.2 深度像采集  104
  6.4 三维数据后处理  104-109
    6.4.1 深度像匹配  105-106
    6.4.2 几何特征检测  106-108
    6.4.3 生成报表  108-109
  6.5 本章小结  109-111
第七章总结与展望  111-114
  7.1 全文总结  111-112
  7.2 工作展望  112-114
参考文献  114-136
附录  136-144
  A. 椭圆方程及其性质  136-137
  B. 最小二乘问题  137-141
    B.1 线性最小二乘问题  138
    B.2 非线性最小二乘问题  138-141
  C. 由本质矩阵求解相机外参  141-144
发表论文和参加科研情况说明  144-146
致谢  146

相位辅助光学三维测量系统的标定方法

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