基于二值光栅离焦投影的三维测量方法研究

摘要

光栅投影三维测量技术以光学理论为基础，融合计算机视觉、图像处理现物体表面形面的数、数字信号处理等学科，从而实据测量。传统投影正弦光栅的三维测量技术，会受到投影仪投影帧率以及投影仪的Gamma失真等硬件条件限制，无法实现对动态物体的精确、快速测量。近年来，用投影仪离焦二值光栅则大大突破上述问题的瓶颈，成为光栅投影三维测量的主流技术。本文针对离焦投影三维测量系统中的关键问题展开了研究，主要创新内容和成果如下:
　　1.提出一种新的二值光栅生成方法，使投影仪的离焦程度不受严格限制，保证不同离焦程度下产生的光栅图像正弦性均较好，从而保证最终测量结果精度高、鲁棒性强。根据正弦光栅的对称性和周期性等特性，提出一种新的二值区域块的设计方法，使得所设计的二值区域块尺寸虽小，却不仅能有效地描述二值光栅还提高了处理效率。进一步，针对二值区域块的优化问题，提出了新的多像素跳变方法，解决了单像素跳变方法容易陷入局部最优解的问题，进而使得到的二值光栅图像正弦性更好。实验证明，相较于传统二值光栅图像生成方法，所提方法不仅保证高质量相位信息的获取，而且适用于不同程度的离焦测量环境。
　　2.提出一种新的三维点云插值方法，以提高空间点云的分辨率，使光栅投影三维测量所得的点云密度受到相机及投影仪等硬件分辨率限制的问题得以解决，为后续点云处理和操作带来方便。本文首先从理论上阐述了相位和三维点云的对应关系，以分析该方法的可行性;其次，对三种常用的插值算法进行具体分析和优缺点比较;最后，提出了基于相位插值的点云插值新算法，并针对孔洞问题给出了解决方案。实验证明所提方法可以获得较好质量的三维点云结果。
　　3.搭建了离焦投影三维测量系统，将上述所提出的创新工作应用在该系统中;此外，采用CPU+GPU异构并行计算模型对系统的算法进行加速，以实现动态实时地测量。实验结果证明该系统具有测量精度高、鲁棒性好和分辨率高的优点，并可对具有一定速度的动态物体进行实时测量和显示。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 光学三维测量技术的背景和应用

1．2 常见的三维测量技术

1．3 数字光栅投影三维测量技术的研究现状

1．4 DLP投影仪离焦技术

1．5 论文主要研究内容及章节安排

第二章 数字光栅投影三维测量原理

2．1 系统模型

2．1．1 经典光栅投影三维测量系统模型

2．1．2 改进的系统模型

2．2 系统标定

2．3 求解主值相位

2．4 相位展开

2．5 本章总结

第三章 应用于离焦投影三维测量的二值光栅生成方法

3．1 引言

3．2 一种新的二值光栅生成方法

3．2．1 传统的二值光栅生成方法

3．2．2 新的二值光栅生成方法

3．3 仿真与分析

3．4 实验结果

3．5 本章总结

第四章 一种新的点云插值方法

4．1 引言

4．2 基于相位图插值的点云插值算法

4．2．1 相位插值与点云插值

4．2．2 三种常用的图像插值算法

4．2．3 基于相位图的三次样条插值算法

4．3 实验结果和分析

4．4 本章总结

第五章 离焦投影三维测量系统的实现

5．1 三维测量系统的硬件架构

5．2 三维测量系统的软件设计

5．3 三维测量系统的GPU实现

5．3．1 GPU并行计算的背景和应用

5．3．2 GPU并行计算的实现方式

5．3．3 三维测量系统的实现过程

5．4 测量结果

5．5 本章总结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 未来工作展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的论文与专利