基于单帧二值编码结构光的嵌入式高速三维测量技术研究

摘要

结构光三维测量技术在材料加工工程的许多领域取得了广泛的应用，解决了材料加工过程中大量存在的三维测量与检测难题，并为材料的成形性能评估、成形精度评价和成形工艺的改进提供基础数据。随着技术的进步与工艺的发展，业界也对三维测量技术提出了越来越高的要求。应用于材料加工工程中的三维测量设备将会从过去的离线测量，向高速、在线、实时测量的方向发展。嵌入式高速三维测量设备将成为各种材料加工生产线上不可或缺的一部分，实现产品全测全检，甚至对生产系统反馈控制，修复产品缺陷。另外，如疤痕耳廓缺损鉴定、交通事故现场测量、口腔义齿定制等其他领域对三维测量速度、计算效率和集成度等方面也提出了同样的要求。因此，亟需研究开发嵌入式高速三维测量技术和设备，满足上述三维面形测量的需求。但现有面结构光三维测量技术仍然存在如下挑战：
　　（1）各种面结构光三维测量技术因其编码数量、编码形式的不同，在测量速度、测量精度与空间分辨率上各有侧重，难以兼顾。单帧编码方法适合高速测量，但还存在空间分辨率低、稳定性不好等问题。多帧编码方法测量空间分辨率高，但需要减少编码图像数量来提高测量速度。
　　（2）现有的三维测量系统一般使用X86计算机平台进行三维重建计算，高速测量带来巨大数据量和计算量对计算机的高速数据传输和浮点运算能力提出了较高的要求。在材料加工工程的应用过程中，使用X86架构作为计算平台集成度低，不利于与其他系统集成。
　　针对以上关键性问题，本文对单帧编码结构光三维测量方法、相位移融合单帧邻域编码的三维测量方法、基于FPGA（现场可编程门阵列）的相位移算法架构、高速三维测量的应用研发等几个方面的关键技术进行深入研究。这些研究内容为实现嵌入式高速三维测量设备提供了重要的技术基础，具有重要的理论和技术价值。
　　基于邻域的单帧编码方法避免了运动误差的影响，适合在高速测量中使用，但其在复杂表面的稳定性、空间分辨率等劣势亟需要通过合理的编码设计来解决。故本文提出了基于De Bruijn队列的2×2最小邻域的编码方法，以此设计了黑白二值的编码图案，设计的编码图案适合高速投影，且具有最大化的特征点密度；提出了基于双路径对称原理的精确角点提取算法，实现了投影离焦条件下的角点精确提取；设计了基于梯度极值的模板解码方法，实现了高准确度的解码。最终实现单帧结构光编码三维测量，测量结果精度高且稳定性好。
　　多帧相位移测量方法可以实现全空间分辨率三维测量，但往往需要额外的图像来进行相位展开，影响测量速度。减少相位移方法的投影数量一直是本方向的研究热点。本文提出的相位移融合单帧邻域编码的全分辨率高速测量方法，利用单帧编码方法协助完成相位移测量的对应点匹配。提出利用相位调制的方法在不增加额外图片的前提下将二值编码信息在相位层面与相位移图像融合。该方法克服了直接进行灰度调制引起的非线性响应误差，实现了将相位调制融合图像分离为二值编码图像与相位移图像，完成相位值的唯一性确定，实现快速全空间分辨率的三维测量。
　　实现嵌入式高速三维测量技术的关键是定制化低功耗嵌入式计算单元。故本文提出了基于FPGA的全流水线相位移三维测量算法架构。提出的FPGA架构在基于全流水线的形式完成了三维测量算法（包含相位计算、相位展开、相位矫正、相位匹配与三维重建完整的算法流程）；为了满足全流水线的需求，对相位移算法进行了重新设计，同时设计了灵活的算法策略与数据缓存来优化架构的资源消耗、计算精度以及初始流水延迟。在此基础上，研制了一套具有实时计算能力的全流水线嵌入式三维测量系统，可以21ms内完成1024×768像素的相位移三维计算，相较于计算机提升了100倍计算效率。提出的FPGA相位移三维测量算法架构为高集成度的工业应用提供了重要基础。
　　在前述技术研究与理论基础上，开发了耳廓缺损快速伤残等级鉴定专用测量系统，解决了现有人为影响误差大、测量计算结果归档困难的问题。提出了点云最大投影面积求解方法，并将其应用于计算耳廓缺损百分比求解，本方法不需要人工干预，结果准确且重复性好；开发了基于机械臂的曲轴自动化测量系统，对系统的联动控制与自动化测量策略进行了应用研发，实现发动机曲轴的自动化测量与检测。实现了在材料加工方向上的良好应用，展现了其应用前景。

目录

声明

1 绪 论

1.1 研究的背景与意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 课题来源

1.4 论文的主要研究内容

2 高空间分辨率、高精度的二值单帧结构光编解码方法

2.1 引言

2.2 单帧结构光编码方法的研究现状

2.3 编码策略及单帧图案设计

2.4 单帧邻域解码算法

2.5 实验过程与结果

2.6 小结

3 相位移融合单帧邻域编码的全分辨率高速测量方法

3.1 引言

3.2 相位移融合单帧邻域编码测量原理

3.3 基于单帧邻域编码的相位匹配方法

3.4 实验结果

3.5 小结

4 基于FPGA的全流水线PMP算法架构

4.1 引言

4.2 基于FPGA的PMP算法的设计与实现

4.3 实验结果

4.4 小结

5 高速三维测量系统的应用研发

5.1 引言

5.2 耳廓缺损快速伤残等级鉴定

5.3 高速三维测量系统与机械臂的协同联动控制

6 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录 攻读博士期间发表的学术论文、专利目录