基于傅里叶变换的结构光视觉测量方法研究

摘要

三维结构光测量是一种主动式非接触测量的技术，这项技术在国家文物研究方面、工业中产品的处理和加工等一系列技术中起到关键的作用，它的原理是用投影仪代替了双目视觉中的一台摄像机，通过投影仪投射光栅到物体表面，再利用相机捕获经过物体表面调制的变形光栅，然后解得相位，进而使用三角原理进行三维重构，最终获得物体的形貌特征。
　　由于人类的视觉系统对于较深的色阶色域较不敏感，现市面上的投影仪为了补偿人类的视觉特性，都进行了Gamma编码，但是给实验带来了麻烦，这会导致光强的输入输出非线性，在后续的相位计算中会得到一条波浪形的绝对相位线，最终计算出的表示三维轮廓的点云也会出现上下起伏波动的现象。
　　本文以结构光测量中的相关原理为背景，在了解结构光测量技术的基础上使用傅里叶变换的特性，从频域方面着重研究了Gamma校正的相关方法，主要研究内容包括：
　　首先，简单介绍了各种三维轮廓的常用测量方法，其中包括本文使用的结构光测量技术。分析了 Gamma非线性的原理，了解了结构光实验造成误差的最主要原因之一。详细地介绍了离焦原理和模型，分析了在空间域中傅里叶变换的原理，为之后各种Gamma校正方法的分析奠定了理论基础。
　　其次，研究了基于Gamma值测定的校正方法。Gamma值测定是通过制作特定的光栅投射至白板上，通过相机捕获后计算出整个系统的Gamma值，然后根据相应的值将所有参与三步相移需投射的光栅上进行预编译处理，以达到消除Gamma值的目的。
　　再次，研究了使用离焦方波来规避Gamma非线性的方法。Gamma非线性的最主要原因是由于在光强上有一个幂指数的加成，而只有两种值的方波则能规避这个问题。结合离焦模型，从原理上研究了各种方波的特性，并利用其特性生成方波光栅。在Matlab中利用高斯滤波来仿真离焦并对每种方法的空间域表示及频域表现进行了对比和分析，最后通过相位误差分析了其性能的优劣。
　　最后，研究了三维重构的原理和方法，求出多种方法得出的点云和三维重构图，以结果来验证上述各种方法的有效性。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 三维测量技术介绍

1.3 三维轮廓测量所存在的问题

1.4 本文的主要研究内容

第2章 基于傅里叶变换的结构光测量

2.1 离焦原理

2.2 基于空间域的图像傅里叶变换分析

2.3 基于正弦光栅的结构光测量

2.4 本章小结

第3章 基于Gamma值测定的Gamma校正方法

3.1 Gamma值的测定

3.2 Gamma值预编码

3.3 数值模拟

3.4 本章小结

第4章 基于离焦的Gamma值校正方法

4.1 方波离焦方法

4.2 SPWM波形离焦方法

4.3 OPWM波形离焦方法

4.4 TPWM波形离焦方法

4.5 抖动离焦方法

4.6 本章小结

第5章 系统实现及实验分析

5.1 光栅的制作

5.2 光栅的投射

5.3 求取包裹相位

5.4 相位展开及误差分析

5.5 三维重构

5.6 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