多摄像机光栅投影三维测量系统的标定方法研究

摘要

光栅投影测量技术以其精度高、非接触等优点一直是三维测量领域的研究热点，而应用多摄像机获取更多的信息则是各类视觉应用的发展方向。将光栅投影测量技术和多摄像机结合起来，将会诞生出测量范围更广、实用价值更高的测量手段。本文对多摄像机光栅投影系统的标定、测量等关键技术展开了研究，针对一些问题提出了新方法，并在研究成果基础上搭建了实物系统，主要工作如下:
　　1.针对非会聚配置下的多摄像机系统，提出了一种基于光栅条纹投影的标定方法。在此类多摄像机应用场景中，因为摄像机视场不重叠，使得获取关于系统结构的约束信息困难。本文使用投影仪作为多摄像机标定的辅助设备，为标定提供额外的信息。投影仪向标定平面投影编码条纹图案，并由摄像机拍摄，再对图像解码可恢复投影平面和标定平面的映射关系，进而可将投影仪看成摄像机的逆系统;标定投影仪和摄像机，根据外参标定结果解算出投影仪和摄像机间的位置参数;利用重建偏差法对结果进行优化。方法借助投影仪将普通的标定平面联系了起来，构建了一张大尺寸的虚拟靶标，为系统的外参标定提供了约束，既减去了制作大靶标的成本，又具有较高的灵活性。实验结果证明，方法标定精度较高。
　　2.针对传统光栅投影测量系统存在的不足，提出了改进方法。首先，圆形图案在透视投影下存在圆心偏差现象，圆心定位精度不高，而棋盘格上黑色纹理区域易造成相位求解误差较大，导致投影平面的匹配精度不高;其次，实际投影仪畸变严重且标定过程受摄像机误差影响，伪相机法存在局限;传统单摄像机光栅投影测量系统测量范围小，且无法解决自遮挡等问题。为了解决以上问题，本文使用棋盘格白色方块对角线交点作为标定控制点，并改用一种双平面模型描述投影仪，分析并构建了高质量测量方程。改进的方法提升了标定的精度和稳定性，同时，将投影仪的标定简化为求解投影平面和两个标定平面之间的映射关系，从而提升了系统的效率。将本文方法应用到了多摄像机光栅投影系统中，提升了原系统的实用性。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 三维测量技术的应用背景

1．2 三维测量技术的研究现状

1．2．1 三角测量法

1．2．2 傅里叶变换轮廓术

1．2．3 摄影测量法

1．3 摄像机标定的发展以及研究现状

1．3．1 单摄像机标定

1．3．2 多摄像机标定

1．4 论文研究内容、解决的问题及章节安排

第二章 视觉测量基本原理

2．1 摄像机模型

2．1．1 线性模型

2．1．2 非线性模型

2．2 摄像机标定

2．3 本章小结

第三章 基于光栅投影的多摄像机标定方法

3．1 引言

3．2 原理

3．2．1 摄像机内参数标定

3．2．2 摄像机位置标定

3．2．3 全局优化

3．3 实验

3．3．1 多摄像机标定

3．3．2 重投影误差

3．3．3 重建偏差

3．4 本章小结

第四章 光栅投影测量系统的改进方法

4．1 引言

4．2 改进的控制点选取方法

4．2．1 圆心控制点

4．2．2 棋盘格交点控制点

4．3 投影仪的双平面模型

4．3．1 测量原理

4．3．2 构建高质量测量方程

4．4 多摄像机光栅投影测量系统

4．4．1 硬件平台

4．4．2 软件和优化

4．4．3 实验

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文工作总结

5．2 工作展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的论文与专利