基于彩色相位编码条纹投影的三维测量方法研究

摘要

三维测量技术在工业自动化检测、计算机辅助设计、计算机辅助制造以及逆向工程等不同的领域起到日益重要的作用。通常三维测量方法分为接触式测量方法和非接触式测量方法。作为非接触测量方法的主要代表，基于彩色数字条纹投影的三维测量方法由于测量精度高、视场大、速度快以及获取物体表面颜色纹理等优点受到广泛的关注。为了提高彩色条纹投影技术在三维测量中的稳定性和精度，本文对彩色数字条纹的质量进行研究。对物体表面颜色对条纹灰度和相位的影响问题，提出一种改进的条纹编码方法。同时，提出一种改进的耦合矫正方法，以相位作为神经网络的矫正对象，提高了系统矫正的鲁棒性。
　　1.针对物体表面颜色对解相位的影响，提出了改进的基于彩色条纹投影的相位展开方法。将条纹码字编码到相位域，设计3幅正弦条纹和3幅编码条纹共6幅彩色条纹，其各自的RGB三个通道分量完全相同。DLP投影仪投影条纹到被测物体表面并由彩色CCD相机进行采集。将采集到的彩色条纹分离成三个通道，利用三步相移法求解各通道的包裹相位和阶梯相位以及对应的调制强度。逐个像素点比较三个通道的调制强度，将调制强度最大的通道对应的相位作为该像素的实际相位。再由提出的相位展开算法获得条纹阶次，从而获得物体准确的展开相位信息。实验表明，提出的方法能够克服物体表面颜色的影响，准确测得复杂颜色物体的相位。
　　2.针对彩色CCD相机中存在的耦合问题提出了一种改进的校正方法。以相位为矫正对象，本章构建了新的耦合响应模型来描述单CCD相机中复杂的耦合响应关系。传统耦合校正方法以条纹的灰度值作为校正对象，容易受到环境光的影响，一次测量过程需要对网络进行多次训练。而本章提出的方法选择相位值作为耦合校正网络训练对象，相对于条纹的灰度而言，相位对环境光的变化不敏感。只需要对网络进行一次训练就可以进行多次测量。仿真和实验表明，提出的方法能够稳定可靠地解决系统的耦合问题，提高系统测量精度。
　　3.基于上述问题的研究，本文开发了彩色数字光栅投影测量系统。系统包括硬件架构和软件系统。基于设计的系统我们进行了大量的实验，实验结果表明利用设计的测量系统可以测得物体准确、连续的高度分布。同时，利用最优算法逐点匹配每个像素点对应的颜色信息，系统能够获得准确的彩色三维点云。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 常见的三维测量方法

1．3 数字条纹投影测量方法

1．3．1 传统光栅投影三维测量方法

1．3．2 彩色结构光测量方法

1．4 课题研究目的及结构安排

1．4．1 研究目的

1．4．2 文章结构安排

第二章 一种改进的彩色物体相位展开方法

2．1 传统格雷码编码方法

2．1．1 三步相移法

2．1．2 基于格雷码的编码和解码方法

2．2 基于相位的编码解码方法

2．2．1 彩色条纹设计

2．2．2 相位展开

2．3 实验和结果分析

2．3．1 实验系统

2．3．2 对颜色复杂的物体的评估分析

2．3．3 对大跳变物体的测量评估

2．4 本章小结

第三章 一种改进的彩色耦合矫正算法

3．1 系统模型

3．2 彩色耦合矫正方法

3．2．1 彩色耦合成因及分析

3．2．2 传统的耦合矫正方法

3．2．3 改进的耦合矫正算法

3．3 仿真和实验

3．3．1 系统流程

3．3．2 系统仿真

3．3．3 实验

3．4 本章小结

第四章 基于彩色数字条纹投影的三维测量系统

4．1 系统硬件架构

4．2 系统软件组成

4．2．1 系统测量流程

4．2．2 三角法测量原理

4．2．3 相位获取

4．2．4 包裹相位展开

4．2．5 点云匹配和显示

4．3 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 课题中完成的工作

5．2 工作中存在的问题以及对未来的展望

5．3 结束语

参考文献

作者在攻读硕士期间发表的论文与专利