基于相移编码的分段相位编码三维测量研究

摘要

随着人类科技的不断进步，计量方法也发生了根本性的改变，不断涌现出新的三维测量方法。其中，在光学技术中，基于条纹投影轮廓术的三维测量方法是光栅投影三维测量技术中最常用、最有效的方法之一。然而，其测量精度和测量速度依然是人们研究的热点。
　　相较于格雷加相移的三维测量方法，格雷码是基于强度的编码，其对环境光、相机噪声、测量对象表面的反射率等比较敏感，而基于相位的编码方式的相位编码条纹，抗干扰性好，在相位展开时能得到相对准确的条纹级次。但是，当在相位编码条纹中采用的码字的数量增加时，在计算条纹级次的时候也会产生许多错误，本学位论文针对相位编码条纹在求解条纹级次的时候出现判决出错的问题，提出了基于相移编码的分段相位编码方法，利用GPU对三维测量过程中的并行计算进行加速，对复杂物体高精度的快速三维测量方法中的关键问题展开研究。
　　本文的主要研究内容和创新点如下：
　　1.提出了分段相位编码条纹。随着相位编码条纹数增多，导致条纹级次k(x,y)判决不稳健，跳变处出现错误和周期错位等问题。为解决以上问题，提出分段相位编码条纹，将相位编码条纹进行分段设计，使每相邻码字之间相位高度差增大，通过得到分段的跳变点计算连续的条纹级次，在不减少码字的情况下，使条纹级次更容易判决。实验证实了本方法的可行性。
　　2.提出了基于相移编码的分段相位编码条纹三维测量方法。虽然提出的分段相位编码条纹增大了码字之间的相位高度差，但是其阶梯相位的每一个阶梯的像素宽度没有变化，分段相位编码条纹的实际分辨率并没有很大的提升，在相位编码条纹中采用的码字的数量增加时，在计算条纹级次的时候仍然会产生错误，从而导致相位展开出错。因此，要实现更多码字的测量对我们来说仍然是一个挑战。在本方法中，设计了一个新的基于相移编码的分段阶梯编码条纹，采用较少的码字来代替更多的码字，增大了码字的像素宽度，解决了码字增多导致条纹级次误判的问题，并且提出了基于相移编码的分段相位编码条纹解包裹算法。这种方法的主要思想是将正弦条纹和相位编码条纹的每个阶梯之间的宽度比设置为1：n。同时，为了实现更快速的测量，提出利用GPU对三维测量过程中的并行计算进行加速。实验结果表明，在保证高的测量精度的同时，本方法可以测量孤立的复杂形貌的物体。同时，为了证明本方法的有效性，进行了多组对比实验，还对不同宽度比下的测量结果进行分析，得到最佳的条件，最后进行了测量精度分析。

目录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 研究现状

1.3 应用领域

1.4 本文的研究内容和章节安排

第2章 相移编码方法

2.1 相移编码方法原理与仿真

2.2 基于相移编码方法的相位编码条纹的原理

2.3 基于相移编码原理的条纹级次和周期错位校正方法

2.4 本章小结

第3章 分段相位编码条纹编码和解码原理

3.1 分段相位编码条纹编码原理

3.2 分段相位编码条纹解码原理

3.3 本章小结

第4章 基于CUDA的三维测量并行计算研究

4.1 并行计算

4.2 GPU硬件架构

4.3 CUDA并行计算实现

4.5 测量计算加速比及分析

4.6 本章小结

第5章 基于相移编码的分段相位编码条纹快速三维测量

5.1 基于相移编码的分段相位编码条纹的编码

5.2 基于相移编码的分段相位编码条纹的解码

5.3 条纹级次和周期错位校正

5.4 解包裹原理

5.5 实验

5.6 不同分段的相位编码测量实验结果及讨论

5.7 测量精度分析

5.8 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

在校期间的研究成果情况说明

致谢

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