双目投影栅线法在三维重建中的应用

论文摘要

三维形貌重建技术在逆向工程、航空航天、医疗诊断、冶金、文物保护等领域都有非常广泛的应用而且对三维重建的精度要求也越来越高。如何对被测物表面形貌进行高精度高效率的测量已经成为研究热点。随着光电技术及计算机技术的兴起,以投影栅线法为代表的光学三维重建技术也得以迅速发展。由于非接触、高精度、全场测量等优点,投影栅线法在诸多领域都有着广泛的应用需求。传统投影栅线法在实际测量时,需要首先进行相位-高度标定实验得到物体表面绝对相位和高度之间的关系,从而求取三维坐标。在该标定实验中,不仅需要将标定板移动到多个已知位置处,求解该位置下标定板表面的绝对相位分布,实验步骤较繁琐,而且标定板的姿态及相位计算误差均会对重建精度产生影响。本文针对双目投影栅线法进行了一系列研究,以实现高精度形貌重建和测量。主要工作如下:首先,利用投影栅线法获取不同相机视角下对应的横纵条纹图像,根据获得的条纹图像求解物体表面的绝对相位分布。将绝对相位值作为点的匹配依据,搜索不同视角下对应点的位置。建立了针孔相机模型下像素坐标系和世界坐标系的关系,并结合双目立体视觉原理,避免了传统单目投影栅线方法中的相位-高度标定过程。其次,提出了一种适用于双目投影栅线法中相位匹配的优化函数。通过建立由绝对相位值确定的优化函数,精确地找出左、右相机中的对应点。该优化函数包含两部分,一部分用来计算绝对相位差的平方以保证匹配精度,另一部分是为了确保计算过程的收敛性。基于该方法能够实现像素坐标的亚像素匹配,与传统相位匹配方法相比精度更高。最后,设计了相关实验验证了本文方法的精度和可行性。对一块200mm×200mm的平板进行表面形貌重建,平板离面方向实验误差的均方根值为0.006mm;对一个乒乓球和一个大球（直径分别为40.00mm和117.40mm）进行了表面形貌重建,拟合点云得到的球体直径与实际值的相对误差分别为0.10%和0.26%;对未知表面的圆筒和石膏人像也进行了三维重建。与传统投影栅线法相比,本文所提方法精度更高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 背景
•   1.2 光学三维形貌重建技术的研究现状
•     1.2.1 立体视觉法
•     1.2.2 结构光方法
•     1.2.3 光学干涉法
•   1.3 投影栅线法的研究现状
•   1.4 本文主要工作
• 第二章 基于条纹投影的相位获取方法
•   2.1 投影栅线法基本原理
•   2.2 相移法求取相位
•   2.3 相位展开与绝对相位获取
•   2.4 本章小结
• 第三章 投影栅线法三维形貌重建基本原理
•   3.1 三维世界坐标与像素坐标的关系
•   3.2 相机标定
•   3.3 三维点云获取
•     3.3.1 传统单相机系统的点云获取方法
•     3.3.2 双相机系统的点云获取方法
•   3.4 本章小结
• 第四章 基于优化函数的相位匹配与点云获取
•   4.1 整像素精度的相位匹配
•   4.2 常用插值方法
•   4.3 利用优化函数提高相位匹配精度
•   4.4 本章小结
• 第五章 三维形貌重建实验
•   5.1 测量系统
•   5.2 相机标定实验
•   5.3 三维形貌测量实验
•     5.3.1 平板形貌重建
•     5.3.2 球体形貌重建
•     5.3.3 复杂形貌物体重建
•   5.4 本章小结
• 第六章 结论和展望
•   6.1 结论
•   6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘坤

导师: 陈巨兵

关键词: 投影栅线法,双相机系统,相位匹配,优化函数

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 自然地理学和测绘学

单位: 上海交通大学

基金: 国家自然科学基金项目(NO. 11732009)

分类号: P204

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.001699

总页数: 70

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