面向动态系统的数字光栅投影技术研究

论文摘要

条纹投影技术是目前一种非常流行的三维非接触测量技术,因其高精度、高速性、高分辨率、高鲁棒性而被广泛的应用在工业检测、逆向工程、医学诊断、文物保护等众多领域。目前条纹投影测量技术在静态测量方面已经相当成熟,但是在动态三维测量中由于受到运动的影响,测量速度和精度还不够高。目前大多提升测量速度的方法在测量精度方面都有一定程度的损失。其中,非线性误差、跳变噪声、运动误差、运动伪影是四种影响测量精度的主要影响因素。本文主要从这些动态测量存在的技术问题出发,力图研究一些相应的解决方法。减少投影的光栅幅数,是目前提升三维测量速度的一种解决途径。本文基于模板匹配和图形学操作的思想提出了一种阶梯类的相位解包算法,该方法利用单张code阶梯光栅获取了36频以上的光栅序列,仿真和实验证明该方法利对三维静态场景和三维动态场景均可获取高精度和高鲁棒性的测量。阶梯相位解包算法因其利用少量光栅投影而在动态测量领域被广泛研究,但是由于受到噪声和离焦的影响,阶梯光栅求解的光栅序列与包裹相位周期不一致,从而导致的跳变噪声成为了制约测量精度的主要因素,尤其应用在二值离焦投影测量中。本文总结现有的一些解决方法,并分析跳变噪声与光栅条纹的关系,提出了一种自对齐技术,实验证明了该技术可以实现快速和无精度损失的消除复杂纹理物体和阶梯变化物体的跳变噪声。为了进一步提升三维点云的获取速度,本文引入双目投影的结构增加多重的视觉约束,并通过复合数字散斑,结合二值离焦投影技术,设计了快速的双目匹配函数,使得三维测量速度达到了常规单目二值离焦测量的四倍速度。由于二值离焦投影技术对非线性误差的免疫,测量得到的相位无需进行非线性误差校正,然后结合现有的高精度运动误差补偿方法对物体运动误差进行补偿,此外,本文提出伪影消除方法对运动伪影进行移除,最后实验对高动态运动的物体实现了303fps速率的三维测量。上述研究针对高速三维测量提出了基于单目、双目的两种高速测量方案。针对非线性误差,使用二值离焦测量技术避免;针对跳变误差,提出了自对齐的处理技术;针对运动误差,使用现有的希尔伯特方法进行补偿;针对运动伪影,本文设计了特定的处理程序给予消除。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 论文研究背景
•   1.2 动态测量技术国内外研究状况
•     1.2.1 条纹投影测量轮廓术
•     1.2.2 提升条纹投影测量速度
•     1.2.3 提升条纹投影测量精度
•     1.2.4 动态三维测量总结
•   1.3 论文研究内容
•   1.4 文章结构
• 第二章 基于阶梯编码的快速相位解包方法
•   2.1 引言
•   2.2 MPU原理
•     2.2.1 单个code光栅解码
•     2.2.2 de-noising技术
•   2.3 MPU方法的仿真
•   2.4 MPU 方法的实验
•     2.4.1 验证MPU方法
•     2.4.2 鲁棒性对比
•     2.4.3 动态测量
•   2.5 本章小结
• 第三章 阶梯编码法的误差分析和补偿
•   3.1 引言
•   3.2 原理
•     3.2.1 阶梯相位解包法
•     3.2.2 SAT技术
•     3.2.3 投影光栅的频率选择
•   3.3 SAT方法的仿真与鲁棒性分析
•     3.3.1 精度和速度验证
•     3.3.2 鲁棒性分析
•   3.4 SAT方法的实验验证
•     3.4.1 复杂纹理物体在焦测量
•     3.4.2 复杂纹理物体离焦测量
•     3.4.3 阶梯物体测量
•   3.5 本章小结
• 第四章 无相位解包的高速三维测量技术
•   4.1 高速三维测量系统
•   4.2 系统标定
•     4.2.1 单目相机模型和标定
•     4.2.2 单目-投影系统标定
•     4.2.3 双目系统标定
•   4.3 相位匹配与三维重建原理
•   4.4 运动误差补偿
•     4.4.1 运动误差模型
•     4.4.2 希尔伯特变换补偿法
•   4.5 运动伪影消除
•   4.6 动态三维重建实验
• 第五章 总结与展望
•   5.1 总结
•   5.2 创新点
•   5.3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 姚鹏程

导师: 马孟超,邓华夏

关键词: 动态三维测量,二值离焦投影技术,跳变噪声,运动误差,运动伪影

来源: 合肥工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 合肥工业大学

分类号: TP391.41;TN25

总页数: 82

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