基于光栅投影的手持式无标志点三维扫描技术研究

摘要

三维扫描技术是涉及到光、机、电、计算机等多方面知识的一种技术，能够对物体快速数字化三维建模，在逆向工程、数字化制造、虚拟现实、产品检测以及文物保护等众多方面被广泛应用。其中，光栅投影三维扫描技术以其精度高速度快的优点越来越受重视。目前市场占有率较高的多为北美和欧洲的产品，这些三维扫描设备价格昂贵，对于中小型企业而言使用成本较高。因此，本文基于相移法解相位原理、多频外差解相位包裹原理、相位误差校正、摄像机参数标定和投影仪相位-高度标定，以及尺度空间关键点检测技术，力图开发一套成本低、速度快、体积小巧使用方便的手持式三维扫描设备。整个论文的研究内容如下：
　　研究了基于圆环阵列平面靶标的摄像机标定技术。针对张正友黑白格棋盘靶标角点处存在灰度突变无法用于相位-高度标定的缺点，设计了由4个大圆和51个小圆组成的圆环阵列靶标。提出了有效去除背景干扰和提取靶标区域的椭圆识别算法，并对相机标定进行了实验验证。使后续投影仪相位-高度标定和相机标定能够用同一组照片衔接起来。
　　研究了投影仪相位-高度标定算法及相位校正算法。结合相机标定得到的相机参数，利用双线性插值算法精确提取标志点处相位值，并用于投影仪相位-高度标定实验，为三维点云求解奠定了基础。以三步相移解相位原理和双频外差解包裹原理为基础完成了投影仪解相位算法设计。分析了投影相位误差的原因，提出一种全域相位校正算法，大幅提升了短距、广角投影仪的相位精度。
　　研究了单片点云的求解原理及尺度空间中搜索被测物本身特征信息关键点的算法。以相机和投影仪标定结果为基础，计算了三维点云。将尺度空间关键点应用到单片三维点云拼接中，省去人工标志点。对比了不同的解法对点云拼接的不同效果。最终实验验证了尺度空间中关键点用于点云拼接的可行性。
　　研究了以系统标定及点云求解和拼接原理为基础的手持式三维扫描硬件实验平台。以89C52单片机最小系统为下位机，通过与上位机之间的通信，控制CCD相机和DLP投影仪协调工作，实现拍照、投影、照片存储的同步。设计了上位机软件，用于交互操作和一些重要参数的设置。设计了系统标定工具箱，不仅能够快速实现系统标定和三维点云求解，而且具有图像处理功能。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究目的和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3课题主要的研究内容

第2章 摄像机模型与标定技术

2.1引言

2.2参考坐标系简介

2.3摄像机模型

2.4摄像机标定

2.5椭圆边缘亚像素检测技术

2.6靶标特征点快速提取技术

2.7摄像机标定实验

2.8本章小结

第3章 光栅投影模型及标定技术

3.1引言

3.2光栅投影系统模型

3.3光栅相位校正技术

3.4解相位技术

3.5投影仪相位——高度标定

3.6本章小结

第4章 三维点云求解及拼接技术研究

4.1引言

4.2三维点云求解原理及实验

4.3点云拼接技术简介

4.4 SIFT尺度空间特征信息提取和匹配

4.5三维点云拼接

4.6本章小结

第5章 光栅投影三维扫描系统

5.1引言

5.2硬件实验系统

5.3系统控制软件

5.4图像处理和系统标定软件

5.5本章小结

结论

参考文献

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