基于时间频率编码的高速光学三维测量及应用研究

摘要

高速高精度三维面形检测在先进制造业、医学成像、科学研究、人体测量等领域都有大量的潜在应用。例如测量蜻蜒飞行时翅膀的实时三维数据将有助于理解其飞行原理，设计更优良性能的飞机。目前，尽管已经有许多三维面形检测方法，但是要精确地测量瞬间变化的三维场景依然非常困难。
　　数字条纹投影(Digital Fringe Projection)因其高速、高精度等优势被广泛采用。基于商用投影仪的三维扫描仪可以实现实时(30 Hz)的多条纹三维面形测量，这样的三维面形测量设备能够胜任变化较慢场景的测量，但对获取高速运动场景还远远不够。对于高速三维测量（30 Hz以上），通常采用数字投影仪投影单幅条纹并用高速相机获取条纹变形数据，通过分析图形获得面型数据。随着硬件的发展，高速二值条纹投影仪已经能够实现4000Hz的条纹投影速率，其价格也在不断下降。但是同等速率的高速相机价格却居高不下，并且存在很多限制，例如拍摄时间有限、无法实时传输数据等。
　　为了克服现行高速三维测量中的缺点，本文提出了一种基于时间频率编码的高速三维测量方案。利用高速率投影仪，在不同时间投影不同频率的编码条纹，并用较低的帧速率，将若干个不同时刻的变形条纹曝光在同一张图中。由于三维信息被编码在投影的条纹频谱附近，又由于这些条纹的频率不同，因此所对应的变形条纹在空间频域中是分离的。通过对图像的分析处理，可以获得各个条纹对应的三维数据即对应时刻的三维面形数据。该方案在不改变相机帧率的前提下，充分利用了高速投影仪的帧率，提高了三维测量的速度，降低了测量系统的成本。
　　本文工作主要分为三部分:首先分析了基于时间频率编码的可行性，并对系统的关键步骤如滤波器的设计、条纹的设计等做了具体分析。其次，根据本文原理，设计并搭建了高速三维面形测量系统，并对动态变化的人脸场景进行了三维测量。最后给出了应用实例，人脸的测量结果用于个性化的水晶内雕。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 光学三维测量技术概述

1．2 高速三维面形测量前景与困难

1．3 高速三维面形测量研究现状

1．4 本论文研究内容

第二章 条纹投影三维测量系统基本原理

2．1 系统结构与原理

2．2 相位提取方法

2．2．1 相位测量轮廓术

2．2．2 傅里叶变换轮廓术

2．3 相位展开算法

2．3．1 空间相位展开算法分类

2．3．2 基于调制度导向的相位展开方法

2．4 三维数据恢复

2．4．1 无畸变时的三维恢复

2．4．2 基于相位高度映射的三维恢复

第三章 时间频率编码高速光学三维测量原理

3．1 时间频率编码基本原理

3．2 基于时间频率编码的三维面形测量基本流程

3．3 时间频率编码滤波器的设计

3．3．1 滤波器的设计要求

3．3．2 空间滤波器设计

3．3．3 滤波器性能对比

3．4 基于时间频率编码方案的精度分析

3．5 时间频率编码方案条纹设计

第四章 测量系统与实验结果

4．1 测量系统

4．2 系统标定

4．3 测量结果

4．3．1 简单运动的测量

4．3．2 人脸表情的测量

第五章 三维数据应用研究

5．1 点云的三维表面重构

5．1．1 Crust算法

5．1．2 Ball-Pivoting算法

5．2 人像水晶激光内雕输出应用

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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