基于光栅投影方法的物体三维轮廓重构

摘要

三维轮廓重构技术广泛应用于逆向工程、机器视觉，在线检测、模具设计、医疗诊断等领域。其中，采用光学方法的非接触主动式三维轮廓重构技术随着计算机、光电器件的迅速发展受到人们普遍重视。现存的重构系统大致可分为基于光学三角法，激光干涉法，时间飞行法，光栅投影法等。光栅投影法因其测量精度高，速度快，对环境要求低等优点成为近年来研究的热点。 本文对基于光栅投影法的物体三维轮廓重构技术的几个热点问题进行了研究，论文的工作主要包括以下几个方面： 首先，阐述了基于光栅投影法的物体三维轮廓重构技术的基本原理。该技术以交叉光轴投影系统为基础，利用计算机控制投影仪把结构光栅投影到物体表面，由数码相机获取变形的光栅条纹图像，从变形的条纹图像中解调出相位信息。本文介绍了相移法等三种相位解调方法的原理并分析了三种方法存在的问题。 其次，介绍了几种改进的光栅投影技术。由上述相位解调方法提取的相位信息折叠在[-π，π]之间，需要进行相位展开运算。但是由于遮挡、噪声等不利因素会导致相位的非正常跳变，从而不能正确地实现相位展开。本文针对以上问题介绍了几种改进的光栅投影技术，并重点研究了格雷编码与相移法相结合的光栅投影技术，计算机仿真实验表明，这种技术对于相位展开的正确性有显著提高。 再次，建立了基于格雷编码与相移法相结合的光栅投影三维轮廓重构系统。投影光栅的周期在参考面上是渐变的，通常的研究忽略这种渐变，这将引起测量误差。本文给出了考虑这种渐变的精确的数学模型，并论述了系统标定方法。由该系统可以通过展开的相位信息获取物体的三维轮廓。 最后，在理论分析和计算机仿真的基础上，设计了三维轮廓重构实验，并研究比较了对获取的变形光栅图像进行滤波和二值化等预处理的方法，然后利用实验系统对实际物体实现了三维轮廓重构。 本文完成了基于光栅投影方法的三维轮廓重构的基础性研究。论文所做的理论分析、系统搭建、计算机仿真和实验为今后的三维轮廓重构方面的进一步研究提供了有益的帮助和借鉴。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1引言

1.2光学非接触式三维轮廓重构方法概述

1.2.1光学非接触式三维轮廓重构的发展动态

1.2.2光学非接触式三维轮廓重构的应用

1.2.3光学非接触式三维轮廓重构的研究热点和难点

1.3本课题的研究内容

2基于光栅投影的三维轮廓重构方法

2.1引言

2.2光栅投影的三维轮廓重构系统原理

2.3相位提取方法

2.3.1卷积法

2.3.2傅立叶变换法

2.3.3相移法

3改进的投影光栅技术

3.1相位展开原理

3.2自动参考栅技术

3.3 双频光栅三维轮廓重构技术

3.4格雷编码和相移技术相结合

3.5小波变换辅助的傅立叶变换法

4物体三维重构系统的组成与标定

4.1三维轮廓重构系统的组成

4.2三维轮廓重构的数学模型

4.3三维轮廓重构系统的标定

4.3.1三维轮廓重构系统标定概述

4.3.1系统几何参数的标定

4.3.2照相机标定的分类

4.3.3照相机的系统标定

5物体的三维轮廓重构实验

5.1实验装置

5.2实验图像预处理过程

5.2.1实验图像的采集

5.2.1实验图像的去噪声预处理

5.2.2实验图像的阈值处理

5.3实验结果

5.3.1方块物体的实验结果

5.3.2朱理诺小卫石膏头像的实验结果

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢