单目条纹投影系统中畸变校正和外参标定方法研究

摘要

随着现代工业的发展，对物体外形的质量控制提出了严格的要求。外形质量控制对三维点云的测量任务提出了测量数据精度高、测量数据高密度、测量空间灵活的需求。针对以上需求，文章研究了条纹投影测量方法、条纹投影系统内参标定方法以及条纹投影系统外参标定方法，重点突破了条纹投影系统的畸变校正和外参标定两项关键技术。通过基于逐像素的畸变测量来补偿条纹投影系统的畸变从而提高单次测量三维点云的精度，通过基于视觉测量合作靶球的外参标定法来提高外参标定的灵活性。并通过实验，对畸变校正和外参标定精度进行了验证。论文完成的主要工作有： 1、在分析现有条纹投影原理的基础上，搭建了基于单目相机和投影仪的单目条纹投影系统，并实现了四步相移法获取折叠相位、三频外差法展开相位、外极线匹配算法以及三维点云重构方法。 2、条纹投影系统内参标定：本文实现了基于平面靶标的相机和投影仪内参标定，并基于畸变多项式对相机镜头的畸变进行了校正。综合考虑参数模型的灵活性和非参模型的精度提出了基于逐像素畸变测量的条纹投影系统畸变校正方法，通过小孔成像模型和相位匹配，建立包含投影仪像平面上对应理想和实际点对的畸变映射表，对系统的畸变残差进行补偿，大大提升了条纹投影系统的精度。 3、条纹投影系统外参标定：单目条纹投影系统通过多次移动实现待测物体整体形貌的测量，为了实现拼接，需要通过外参标定确定每个测量位姿下条纹投影坐标系与外部标准坐标系之间的关系。本文提出基于视觉测量合作靶球的方法对条纹投影系统外参进行标定，该方法具有灵活性和广泛的适用性。基于视觉合作靶球的公共点数据获取原理，设计了将圆环靶标和球形外壳相结合的视觉测量合作靶球，实现了基于该合作靶球的外参标定，并在精度分析的基础上给出了优化方案。

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