基于数字光栅投影的三维表面测量技术研究

摘要

三维重构一直是计算机视觉的重要研究领域之一。近年来三维轮廓重构技术的研究取得了巨大的进步，已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。结构光投影测量技术是实现三维重构的核心技术，其中数字光栅投影法是一种主流的光学测量方法，它通过把作为信息载体的数字光栅投影到物体表面，然后使用摄像机采集经过物体高度调制的变形后的光栅图像，再经算法处理后解调出被测物的高度信息，具有非接触性、全场性、测量灵敏度高等优点，可以方便地实现对被测物的三维形貌测量。本文对基于数字光栅投影的三维表面测量技术进行了系统研究，主要完成了以下工作:
　　(1)对影响投影光栅相位法测量效果的各项关键技术进行了研究，详细分析了其系统关系模型、高度矩阵求取方法、相位提取方法、真实相位的展开方法等并分析优缺点;
　　(2)对传统求解高度矩阵的系统关系模型进行改进。本文采用直入射光路并配合使用一种简便易行的标定方法，只需使用相移公式求取相位差，而不会引入与系统几何位置关系有关的量，最大限度地减少了求取高度矩阵所需的参数数量并提高抗干扰性;
　　(3)提出了一种改进的双频参考栅投影技术。该技术使用一种只包含一个周期低频光栅的复合光栅进行投影，相比于传统的双频技术，该方法避免了对低频光栅的解包误差，同时只需采集五幅图像即可完成解算。实验证明该方法可以良好地克服拉线误差及测量形貌复杂的曲面;
　　(4)设计并组建了一套投影光栅相位法测量系统，并基于VC++开发了测量软件，可方便地实现对物体三维形貌的测量。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 三维测量技术发展概况

1．2．1 接触式测量

1．2．2 非接触式测量

1．3 光栅投影条纹技术概述及研究现状

1．3．1 针对系统关系模型的研究现状

1．3．2 针对光栅条纹及处理方法的研究现状

1．4 本文研究主要内容及意义

1．4．1 课题来源及研究意义

1．4．2 论文的主要研究内容

第二章 投影光栅相位法关键问题研究

2．1 光学系统模型分析

2．1．1 高度矩阵的获取

2．2 相位信息的获取

2．3 真实相位的获取

2．3．1 相位展开解包裹技术原理

2．3．2 传统包裹技术的问题和局限

2．4 本章小结

第三章 系统模型和标定方法研究

3．1 传统测量系统关系模型分析

3．2 测量系统模型改进

3．2．1 高度矩阵的求取

3．3 系统标定方法研究

3．3．1 单步标定法

3．3．2 多步标定法

3．6 本章小结

第四章 双频参考栅投影技术

4．1 双频光栅法基本原理

4．2 改进的双频参考栅技术

4．2．1 新的双频复合光栅原理

4．2．2 双频复合光栅相位的求取

4．3 双频参考栅对比实验

4．4 提高相位图质量的方法

4．4．1 相位滤波技术研究

4．4．2 DLP离焦投影研究

4．4 本章小结

第五章 测量系统组建和实验

5．1 光栅投影测量系统组建

5．1．1 硬件设计和选型

5．1．2 测量软件编制

5．2 改进的系统模型验证实验

5．3 单频光栅实验

5．4 改进的双频参考栅实验

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况