结构光投影三维轮廓测量系统的标定

摘要

结构光投影三维轮廓测量技术具有非接触性、无损耗、高灵敏度、高测量精度、自动化程度高等优点，近年来在制造业、航空航天、文物保护、医疗、艺术雕塑和人脸识别等领域得到极大的应用。
　　 系统标定作为三维轮廓测量系统完成测量任务的基础，是三维测量系统与从二维图像信息恢复三维空间信息的重要保证。所以本文从基于相移法的条纹光栅投影三维轮廓测量的基本原理出发，重点对摄像机和投影仪标定做了详细研究。主要研究工作如下:
　　 (1)建立摄像机模型，在此基础上提出摄像机的标定算法。通过结构光投影三维轮廓测量系统所涉及的图像坐标系、世界坐标系、摄像机坐标系之间的相互关系，并在小孔成像的原理上，建立了线性的针孔模型，同时考虑到光学畸变，建立了非线性的畸变模型。本文利用平面和图像之间的单应性，从多个角度进行拍摄无需知道标定板的运动参数即可完成对摄像机参数的求解，并根据非线性优化求出最终结果。利用MATLAB强大的图形用户界面(GUI)功能，设计摄像机的标定流程，快速有效的求解出摄像机内外参数和畸变参数。
　　 (2)建立投影仪模型，完成对投影仪的标定，获得投影仪内外部参数。在摄像机模型的基础上，将投影仪的投射过程可以看成是一个逆向的摄像机，利用摄像机参数计算出投影仪图像的标定平面特征点的三维坐标，提取投影仪标定图像的角点获得其二维坐标，最后按照摄像机标定方法完成投影仪标定，获得投影仪的内外部参数。
　　 (3)搭建稳定可调的光学平台，完成系统标定，获得系统参数，并对实物进行了测量。编程实现了基于平面模板的摄像机标定，采用Levenberg-Marquardt非线性算法对参数进行优化，并在此基础上完成对投影仪的标定，获得相关参数。通过物理实验的验证了系统的可行性和准确性。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1．研究背景与意义

1．2．课题研究现状

1．2．1．结构光三维轮廓测量技术发展现状

1．2．2．三维测量系统标定现状

1．3．本文主要内容

第二章 结构光三维测量系统

2．1．测量系统的基本结构与原理

2．2．相移法提取相位

2．3．相位展开

2．4．本章小结

第三章 摄像机标定

3．1．摄像机模型

3．1．1．参考坐标系

3．1．2．摄像机的针孔模型

3．1．3．摄像机的畸变模型

3．2．摄像机标定方法及其技术分析

3．2．1．线性标定方法

3．2．2．两步标定法

3．2．3．平面标定法

3．3．摄像机参数标定

3．4．本章小结

第四章 投影仪标定

4．1．投影仪标定的基础知识

4．1．1．投影仪分类

4．1．2．投影仪的数学模型

4．2．投影仪标定方法

4．2．1．基于相移法的投影仪标定

4．2．2．基于平面的投影仪标定法

4．3．投影仪参数标定

4．4．本章小结

第五章 系统测量试验

5．1．系统标定

5．1．1．系统标定装置与实验

5．1．2．标定精度分析

5．2．系统测量

5．2．1．相位到三维坐标的转换原理

5．2．2．系统测量实例

5．3．本章小结

第六章 总结与展望

6．1．总结

6．2．展望

参考文献

作者简历及科研成果