结构光三维测量系统误差分析、控制及补偿技术的研究

摘要

结构光三维测量技术因其具有非接触、无损、高效率、高分辨率、全场测量、可测易变形易碎物体等特性，在产品设计与制造、产品检测和质量控制、医学工程、虚拟现实、人体测量、文物保存等行业都有很大的应用发展潜力，已成为三维精密测量领域近年来的一个研究热点。随着科学技术的进步，各行业对结构光三维测量技术的测量准确度、测量精度、数据质量及稳定性等性能要求也日益提高。因此，如何提高结构光三维测量技术的测量性能以不断满足这些行业的需求已成为当前迫切需要解决的问题。本文研究以提高基于格雷码和相移结合编码的结构光三维测量系统性能为目标，在对测量系统设计、制造和使用过程中各类误差影响因素进行系统分析的基础上，提出以测量系统数学建模、模型参数标定、相位误差补偿以及综合误差补偿为关键技术的误差控制与补偿综合解决方案，实现测量系统性能的改进。
　　 结构光三维测量系统的数学建模主要针对摄像机和投影仪的透视成像过程以及从二维图像实现三维坐标重建的方法进行数学描述。测量系统数学模型的准确性对系统测量准确度和精度至关重要。论文研究了典型的测量系统数学模型，发现存在两个严重影响系统建模精度的问题：1）要求系统组成构件相互位姿关系满足一定的几何约束条件，导致测量系统加工和装配误差对系统测量精度产生较大影响；2)受投影仪一维编码的限制，投影仪的建模精度普遍不高。针对这两问题，论文提出了基于光线逆向投影的测量系统数学建模方法。通过合理选择建模参数，消除所有系统构件对尺寸及位姿的几何约束要求，降低测量系统加工和装配的精度要求；同时，提出的光线逆向投影的三维坐标重建方法使投影仪也可采用和摄像机完全一致的高阶镜头失真模型，提高其建模精度。仿真测量实验表明光线逆向投影模型较现有的参考相位模型和线面求交模型可提高近一个数量级的测量准确度及精度。
　　 结构光三维测量系统标定是通过实验和计算精确获取系统数学模型参数的过程，是保证系统测量准确度和精度的关键。论文分析了现有测量系统标定方法在标定模型、标定参考物以及标定流程存在的不足，提出了基于三维栅格点阵的结构光三维测量系统同步标定方法，其改进体现在以下方面：1）在标定模型上，采用了考虑高阶镜头失真的摄像机和投影仪模型以及测量系统参数同步优化求解模型，提高测量系统标定精度；2)在标定参考物上，采用在测量空间均匀分布并处于同一世界坐标系的高精度三维栅格点阵，避免系统标定精度受标定参考物精度不足以及空间不均匀分布的影响；3）在标定流程上，采用投影仪二维正交编码的方式同步提取三维栅格点的摄像机和投影仪二维对应点，解决了两步标定法中摄像机标定结果影响投影仪标定基础数据提取精度的问题。25mm标准距离测量结果表明本文的测量系统同步标定方法较现有标定方法提高了至少47％测量准确度以及28％测量精度。
　　 由于现有投影技术很难准确提供结构光三维测量系统所需的数学上完美的正弦分布相移光强信号，这导致计算获得的物体相位与其理想相位存在一定误差，从而引起测量数据周期性波动，严重降低测量点云质量。针对这一问题，提出了基于平滑样条曲线拟合的相位误差补偿方法。在分析参考平面相位非线性以及波动性特征的基础上，采用平滑样条拟合的方法从参考平面相位中精确提取测量系统相位误差分布曲线。该相位误差分布曲线可作为系统参数用于被测物相位的补偿。对于补偿后被测物相位残差，提出基于平滑样条拟合的相位残差消除方法作迸一步处理。平面测量实验表明使用相位误差分布曲线可减小70％被测物相位误差；经过相位残差消除处理后，可进一步获得65％的改进。
　　 结构光三维测量系统经过系统建模、标定和相位误差补偿后仍然不可避免存在着测量误差。这种测量误差是由系统模型精度、标定精度等多因素耦合作用而成，因此本文研究中称之为测量系统的综合误差，并提出了基于三维栅格点阵的综合误差实时补偿方法。该方法包括四个主要流程：1）使用高精度三维栅格点阵以获得精确的测量系统标定及综合误差补偿基础数据；2)统一了测量系统的测量、标定和综合误差补偿坐标系，避免数据拟合求解坐标系位姿转换关系而产生的误差；3)使用基础数据实现测量系统标定后，即可精确获取综合误差的空间分布；4)测量系统综合误差分布可通过八点空间插补法对测量数据进行实时综合误差补偿。标准位置测量结果表明该综合误差补偿技术可提高系统65％的测量准确度以及58％的测量精度。
　　 本文结构光三维测量系统误差相关研究成果已成功应用于通用型结构光三维测量系统中，其测量误差可控制在0.035mm之内。以此为基础，本文的研究成果进一步在复杂型面产品检测、患者颜面缺损修复以及义齿计算机辅助设计等专业领域中得到了成功应用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 三维测量技术

1.1.1 三维测量技术的广泛应用需求

1.1.2 三维测量技术的研究现状

1.2 光学三维测量技术

1.2.1 被动式光学三维测量技术

1.2.2主动式光学三维测量技术

1.3 结构光三维测量技术研究现状

1.3.1 时域编码三维测量技术

1.3.2 空域编码三维测量技术

1.3.3 直接编码三维测量技术

1.3.4 结构光编码技术比较

1.4 光学三维测量误差相关技术的研究现状

1.5 本文主要研究内容及章节安排

1.5.1 研究背景及意义

1.5.2 主要研究内容和章节安排

第二章 结构光三维测量技术及测量系统误差解决方案

2.1 结构光三维测量系统工作原理及其组成

2.1.1 双目立体视觉测量原理

2.1.2 结构光三维测量原理

2.1.3 结构光三维测量系统组成

2.2 格雷码和相移结合的结构光编码技术

2.2.1 格雷码编码技术

2.2.2 相移编码技术

2.2.3 格雷码和相移结合的编码技术

2.3 结构光三维测量系统误差分析、控制及补偿方案

2.3.1 测量系统误差的分析、控制及补偿

2.3.2 测量系统误差分析、控制及补偿方案小结

2.4 本章小结

第三章 结构光三维测量系统数学建模技术的研究

3.1 结构光三维测量系统数学建模技术及其存在问题分析

3.1.1 基于参考相位的测量系统建模方法

3.1.2 基于线面求交的测量系统建模方法

3.1.3 结构光三维测量系统建模方法存在问题分析

3.2 基于光线逆向投影的结构光三维测量系统建模方法

3.2.1 摄像机数学模型

3.2.2 投影仪数学模型

3.2.3 空间点三维重建数学模型

3.3 结构光三维测量系统数学模型性能评价仿真实验

3.4 本章小结

第四章 结构光三维测量系统标定技术的研究

4.1 结构光三维测量系统标定技术及其存在问题分析

4.1.1 摄像机标定技术

4.1.2 结构光三维测量系统标定技术及其存在问题

4.2 基于三维栅格点阵的结构光三维测量系统同步标定技术

4.2.1 空间三维栅格点阵的测量系统标定参考物

4.2.2 测量系统标定基础数据的获取流程

4.2.3 测量系统标定模型及系统模型参数的确定

4.2.4 标定基础数据提取误差的补偿

4.3 结构光三维测量系统标定实验

4.4 本章小结

第五章 结构光三维测量系统相位误差补偿技术的研究

5.1 结构光三维测量系统的相位误差成因及其补偿技术

5.1.1 测量系统相位误差的产生根源

5.1.2 测量系统相位误差补偿技术

5.2 基于平滑样条拟合的结构光三维测量系统相位误差补偿技术

5.2.1 测量系统的相位空间分布特征

5.2.2 测量系统相位误差的提取

5.2.3 被测物相位误差的补偿

5.2.4 基于平滑样条拟合的残余相位误差消除方法

5.3 结构光三维测量系统相位误差补偿实验

5.4 本章小结

第六章 结构光三维测量系统综合误差补偿技术的研究

6.1 结构光三维测量系统综合误差的成因及其补偿技术

6.1.1 测量系统综合误差产生原因

6.1.2 测量系统综合误差补偿技术

6.1.3 测量系统综合误差补偿的精度影响因素

6.2 基于三维栅格点阵的结构光三维测量系统综合误差实时补偿技术

6.2.1 测量系统综合误差补偿技术的硬件平台

6.2.2 测量系统综合误差补偿技术中的坐标系定义

6.2.3 测量系统标定及综合误差补偿基础参考数据的获取

6.2.4 测量系统综合误差空间分布的获取

6.2.5 测量系统综合误差空间插补技术

6.2.6 测量系统综合误差补偿技术的评价

6.3 结构光三维测量系统综合误差补偿实验

6.4 结构光三维测量系统误差研究的系统成果及工程应用

6.4.1 通用型结构光三维测量系统

6.4.2 误差研究成果在复杂型面数字化检测中的应用

6.4.3 误差研究成果在患者颜面缺损修复中的应用

6.4.4 误差研究成果在义齿计算机辅助设计中的应用

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 文章创新点

7.3 研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

致谢