基于光栅投影的三维模型测量系统关键技术研究与实现

摘要

光学三维测量技术在制造业、计算机辅助医学、虚拟现实、文化遗产保护以及游戏娱乐等方面都得到了广泛应用。本文在深入研究光学三维测量相关理论、方法及关键技术的基础上，设计与开发了基于格雷码-相移技术的光栅投影三维测量系统。主要研究内容和成果如下： （1）在对小孔成像模型和编码结构光法特点的分析与研究的基础上，提出了投影仪的一种线性隐式模型，建立了光栅投影三维测量系统完整的数学模型。 （2）分别研究了格雷码和相移测量方法，并对它们的优缺点进行分析与总结，实现了格雷码-相移组合编码技术。该技术运用于光学三维测量系统可同时获得较大的测量范围和较高的分辨率，并降低解码难度和出错概率。 （3）针对相移条纹图案灰度分布的非正弦性，以及解码过程中由于图像噪声的干扰而可能出现的错误提出了一种新的组合编码修正算法，从而保证了测量系统的精度和稳定性。 （4）对摄像机和投影仪标定技术进行了深入的研究，实现了基于格雷码-相移技术的投影仪标定方法和基于系统误差分析的综合标定方法。提出了一种新的标定基础数据快速获取与匹配算法。 （5）在以上研究基础上开发了一套光学三维测量实验平台，包括硬件和软件部分。最后利用该系统进行了大量的测量试验，并在逆向工程、口腔和面部测量等方面进行了应用。实验分析与研究结果表明该系统工作稳定、精度高。单视角测量数据量为130万点，测量范围为450 mm 400 mm，水平测量点距为0.5 mm。