基于线激光旋转扫描的三维视觉测量方法研究

摘要

随着自动化、机械以及光电领域的不断发展，三维测量技术成为工程界研究的重点，同时三维测量系统整体上朝着自动化、精度高、尺寸便携的方向不断发展。基于线激光旋转扫描的三维测量方法具有抗干扰能力强、信号处理可靠、测量范围大、测量效率高、结构简单并且易于维护等优点，在工业工程测量领域的发展前景十分广泛，线激光视觉测量法已成为测量物体表面形状，位置空间信息获取甚至是三维运动信息的有效测量途径。
　　本文对基于线激光旋转扫描获取待测物体点云信息的三维测量系统进行设计。搭建了旋转平台、摄像机与激光器相结合的硬件架构，结合C++与OpenCV库，研究了基于线激光旋转扫描的三维测量算法，主要完成了摄像机参数的标定、光平面与旋转轴的标定、点云匹配以及三维点云构面四个部分。
　　本论文首先介绍机器视觉领域中三维测量技术的研究意义和发展概况;介绍国内外该技术的研究现状;然后根据实际设计要求以及精度指标，确定三维测量系统的总体设计方案，选取合适的硬件器件并完成外形布局;接下来介绍系统标定的方法，首先对摄像机进行标定以及去除畸变，其次引入四元数的方法标定转轴与摄像机的刚性变换关系，除此之外，还设计与实现了转台自动旋转获取照片的控制软件;基于线激光条纹的特点，对激光光条进行去噪预处理、感兴趣区域提取、细化处理等，并对细化算法进行研究以及改进，给出激光光条的光平面方程的拟合方案并对精度进行验证;对三维点云坐标的获取算法以及去噪方法进行研究并且利用改进的ICP算法将不同视角下获取的点云数据统一到相同坐标系下，获得待测物体完整的点云数据并对点云模型进行匹配验证;利用德洛内三角剖分算法以及平滑处理对获取的点云数据进行构面，得到待测物体清晰的轮廓外形。最后，利用搭建的测量系统进行轮廓恢复以及三维测量实验，验证本文设计的三维测量系统的精度是否能够达到预期指标。
　　经过试验测试，系统能够通过线激光旋转扫描获得物体的点云信息，进一步直观的恢复出物体三维可见表面的几何形状，基本上满足三维重建目标的要求，验证了系统的可行性和有效性。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1三维测量技术概述与研究意义

1．2国内外研究现状与应用

1．2．1国外发展现状

1．2．2国内发展现状

1．3论文的组织与结构

第2章系统设计与标定

2．1系统总体设计方案

2．1．1实验平台的搭建与选型

2．1．2三维测量的原理与流程

2．1．3系统的预期指标

2．2单目摄像机标定方法概述

2．2．1摄像机模型参考坐标系

2．2．2标定方法概述

2．2．3本文摄像机标定方法及结果

2．3转台的标定

2．3．1转台自动采集图片的实现

2．3．2转轴的标定方法

2．3．3转轴标定精度验证

2．4本章小结

第3章结构光的图像处理算法与标定

3．1结构光光条图像的特点

3．2常见的光条中心提取法

3．3．1光条图像预处理

3．3．2光条区域提取

3．3．3光条细化处理

3．4结构光光平面方程的拟合

3．5光平面方程的拟合结果

3．6对光平面方程的验证方法

3．7本章小结

第4章点云的获取、配准与重建

4．1点云的获取

4．1．1三维坐标的获取

4．1．2点云数据的去噪处理

4．1．3点云数据的平滑处理

4．2点云的匹配

4．2．1理论基础

4．2．2传统ICP算法及弊端

4．2．3本文的ICP算法

4．2．4点云的配准实验结果

4．3三维点云的构面

4．3．1德洛内三角剖分原理

4．3．2三角构面的实现

4．4实验结果分析

第5章实验结果与分析

5．1三维测量系统外形布局

5．2三维点云获取结果

5．3三维测量实验结果

5．4问题及解决方法

5．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢