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面向光学三维测量的相位展开关键技术研究

作　者: 傅世强
导　师: 廖文和
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 三维测量结构光相移相位展开图像处理
分类号: TG806
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光学三维测量广泛应用于生产生活,而相位展开是相移结构光三维测量中的关键技术。本文在学习了光学三维测量相关理论及关键技术的基础上,深入研究了相位展开的各种方法,比较并实现了部分经典算法,并提出了一种新质量图用于指导相位展开,完成了相移结构光三维测量系统中的相位展开模块。主要研究内容和成果如下:(1)研究分析了路径相关的枝切法,并在实际使用时增添了手动加入枝切线方法,提高了操作地灵活性。(2)提出了一种新质量图算法,并将其用于质量图引导相位展开算法。首先分析了传统质量图的缺陷;然后基于各向同性的梯度幅值,融合图像锐化方法和调制度信息,构造出一种新型的“调制度-罗伯特梯度幅值方差”质量图;最后通过对模拟图和实例图的相位展开,将新提出的质量图与传统质量图进行了对比。实验结果表明,新的质量图更加可靠,有效的弥补了传统质量图的部分缺陷。(3)综合比较了空间维相位展开方法中的路径相关和路径无关算法。实现了非权重的快速傅立叶变换法(FFT)和加权重的预条件共轭梯度法(PCG),并利用二值化的MRGAV新质量图作为PCG法中的权因子,通过模拟和实例评估了各算法的性能优劣。(4)在研究比较了空间维和时间维相位展开方法的基础上,实现了线性、指数、逆指数三种经典的时间维相位展开方法。(5)归纳了相位展开的评估方法;探讨了影响相机标定的因素;在研究的基础上实现了三维测量系统的相位展开模块。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-12
第一章绪论  12-25
  1.1 三维测量技术  12-13
    1.1.1 接触式测量方法  12
    1.1.2 非接触式测量方法  12-13
  1.2 光学三维测量技术  13-18
    1.2.1 三角法  14
    1.2.2 飞行时间法  14
    1.2.3 双目立体视觉  14-15
    1.2.4 莫尔条纹法（莫尔轮廓术）  15
    1.2.5 结构光法  15-17
      1.2.5.1 傅立叶变化轮廓术  16
      1.2.5.2 位相测量轮廓术  16-17
    1.2.6 光学三维测量的发展和应用  17-18
  1.3 相位、相移以及相位提取技术  18-22
    1.3.1 相位和相移  18-19
    1.3.2 引起相移误差的因素  19-20
    1.3.3 相移误差校正  20
    1.3.4 四步相移法原理  20-22
  1.4 相位展开技术  22-23
  1.5 本文的选题背景及研究内容  23-25
第二章路径相关的空间相位展开方法研究  25-46
  2.1 基本概念  26-27
    2.1.1 相位差分（梯度）  26
    2.1.2 残差点  26-27
    2.1.3 对偶极子  27
  2.2 GOLDSTEIN 枝切法  27-31
  2.3 质量图引导相位展开法  31-36
    2.3.1 洪水相位展开算法  31-32
    2.3.2 质量图  32-34
    2.3.3 本文提出的新质量图——“调制度-罗伯特梯度幅值方差”质量图  34-36
  2.4 实验比较  36-45
    2.4.1 模拟实验  37-41
    2.4.2 实例验证  41-45
  2.5 小结  45-46
第三章路径无关的空间相位展开方法研究  46-60
  3.1 原理概述  46-47
  3.2 非权重的最小二乘法相位展开  47-50
    3.2.1 迭代法  47-48
    3.2.2 快速傅立叶变换法  48-49
    3.2.3 离散余弦变换法  49-50
  3.3 加权重的最小二乘法相位展开  50-53
    3.3.1 皮卡迭代法  50-51
    3.3.2 预条件共轭梯度法  51
    3.3.3 后处理——一致性处理  51-53
  3.4 实验比较  53-59
    3.4.1 模拟实验  53-56
    3.4.2 实例验证  56-59
  3.5 小结  59-60
第四章时间维相位展开方法研究  60-74
  4.1 线性时间维相位展开  60-62
  4.2 指数时间维相位展开  62-65
  4.3 逆指数时间维相位展开  65-68
  4.4 部分其他典型时间维相位展开  68-70
  4.5 实验与总结  70-74
第五章相位展开评估及三维应用实例  74-89
  5.1 相位展开的评估方法  74-77
    5.1.1 直接观察法  74
    5.1.2 相位再包裹处理  74
    5.1.3 截取法（细节评估法）  74-75
    5.1.4 误差计量法  75-76
    5.1.5 不连续图法  76-77
    5.1.6 粗略评估法（联合图法）  77
  5.2 各种相位展开方法之间的联系  77-78
  5.3 相机模型以及相机标定  78-82
    5.3.1 相机建模  78-79
    5.3.2 标定原理  79-80
    5.3.3 获取标定数据  80-82
  5.4 影响相机标定结果的因素探讨  82-86
    5.4.1 图像清晰度  82-83
    5.4.2 随机误差  83
    5.4.3 CCD 缺陷  83
    5.4.4 标定板与相机角度  83
    5.4.5 标定板与相机距离  83-85
    5.4.6 标定板大小  85-86
  5.5 处理模块、平台搭建以及实例应用  86-89
    5.5.1 处理模块  86
    5.5.2 平台搭建  86-87
    5.5.3 实例应用  87-89
第六章总结与展望  89-91
  6.1 总结  89
  6.2 展望  89-91
参考文献  91-97
致谢  97-98
在学期间的研究成果及发表的学术论文  98

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