高动态范围光栅投影三维测量技术研究

摘要

光栅投影三维测量技术作为一种被广泛应用的三维测量方法，由于其非接触、精度高、速度快等优点，在工业生产、信息安全、医疗诊断等领域都有很大的应用前景。传统光栅投影三维测量技术对待测物体表面的光学性质有一定的要求，当物体表面反射率过高时，采集图像会出现像素饱和现象，该现象会对整个测量系统的精度造成较为明显的影响。在实际测量中，拥有高反射率表面的被测物体大量存在，如陶瓷，金属，高光塑料等，对这些物体使用传统光栅投影三维测量技术进行测量很难得到高精度测量结果。因此，研究如何利用光栅投影三维测量技术获取高反射率物体的高精度三维信息有着较大的现实意义和价值。本文基于光栅投影三维测量技术进行了如何提高测量系统动态范围的研究，本文研究的主要工作和创新点如下： 1.提出了一种基于二分法的自适应光栅投影高动态范围三维测量方法。在传统的自适应光栅投影方法中，最佳投影灰度值的求取通过估计相机-投影仪响应曲线来完成，该方法耗时较多且精度较低，针对该问题，提出一种基于二分法的最佳投影灰度值求取方法，提高了求取最佳灰度值的速度及精度。此外，现有的自适应光栅法无法完成饱和区域逐像素的高精度匹配，对此，提出利用二分法确定合适的投影灰度，从而在完全不发生饱和的情况下完成原饱和区域逐像素匹配，弥补了现有自适应光栅法的不足。利用本文提出的算法可以生成高精度的自适应光栅，实现对于饱和区域的抑制以及高质量相位的获取。 2.针对于不可复现的测量情况，即仅有饱和光栅图像时，提出了一种基于改进相移法及图像修复的高动态范围三维测量方法。传统的改进相移法提出在相移系统的基础上投影反向正弦光栅图案来实现高动态测量，降低了该方法的适用性。通过对于相移法进行了分析，本文明确了改进相移法可直接应用于采用四步以上相移的测量系统，在图像发生饱和时完成低饱和度像素相位求取。为了解决改进相移法无法求取高饱和度像素相位的问题，本文提出对于饱和光栅图像进行修复，利用经过修复的图像来实现对于高饱和像素的相位求取。针对饱和光栅的图像修复，提出了一种新的光栅图像修复算法，首先利用低饱和度像素相位进行饱和像素灰度值修复，再结合基于整体变分（TV）模型的图像修复算法进一步完成图像修复，解决了传统图像修复算法无法实现大面积精确修复的问题。在仅有饱和光栅图像的情况下，利用本文提出的基于改进相移法及图像修复的高动态范围三维测量方法可以有效降低图像饱和带来的相位误差。

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