镜面反射表面三维测量相位偏折术关键技术方法研究

论文摘要

镜面反射表面的非接触、高精度测量已成为三维光学测量领域的重要科学问题。漫反射结构光测量方法由于无法获得被测表面的特征信息而不再适用。相位测量偏折术以其原理简单、成本低、动态测量范围大、全场测量快速等优点成为研究热点。本文针对相位偏折术的测量模型、对应性相位求解、系统参数标定、梯度积分等方面展开了研究。在高精度相位求解,高精度标定方法研究,高精度测量方法等方面取得了研究进展,具体如下:1.针对移动屏幕偏折术测量方法中的重复标定问题,提出了基于单相机监控的偏折术测量方法。辅助相机监控显示屏幕的两个位置,通过Perspective-n-Point（PnP）方法和坐标系变换确定显示屏幕在主相机中的位姿关系。利用绝对相位追踪对应同一像素的显示屏幕两个位置上的同名相位点,确定入射光线,最终确定法线和梯度信息,并根据径向基函数插值法精确重建镜面面形。采用镜面标定法对具有不同视场的主辅相机进行标定,从而通过坐标系变换将入射光线和反射光线统一到主相机坐标系下。该方法只需标定一次,不会产生重复标定误差。2.针对传统空间结构偏折术测量视场受限、结构复杂的问题,提出了空间结构双层平面偏折术。通过透明面光源构建用于确定入射光线的双平面结构而不是通过普通面光源的空间复用。透明面光源被建模为一块厚度和折射率均匀的透明玻璃。入射光线传播路径通过厚度和折射率参数精确描述。通过多立体视觉方法标定透明光源的折射参数,通过改进平面镜标定法标定系统参数。标定完成后,系统测量精度可以达到微米级。3.为提高相位偏折术系统位姿关系标定精度和效率,提出了平行镜面标定方法。旋转矩阵只需要一个镜面位置直接通过PnP方法和镜像原理计算得到。平移矩阵的求解有两种模式:单相机模式和双相机模式。在单相机模式下,平移矩阵需要两个镜面位置通过求解线性方程组得到;在双相机模式下,平移矩阵被转换为一维搜索镜面到相机距离最优解来确定。平行镜面标定方法的双相机标定模式可用于立体偏折术实现系统位姿关系的自动标定。4.提出了线面偏折术,将传统的反射光线与入射光线求交问题转化为反射光线与入射光线所在平面的求交问题并构建线面模型。基于镜面位姿标定方法提出线面偏折术系统的标定方法,只需一次标定即可用于镜面测量。线面偏折术有两种测量模式:单线面模式和双线面模式。单线面模式下,系统测量最大误差为0.25mm,误差均方根值为0.073mm;双线面模式下系统测量精度可达到微米级。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究目的和意义
•   1.2 传统光学三维测量分析
•   1.3 相位偏折术研究现状
•   1.4 相位偏折术测量模型分析
•   1.5 论文的主要研究内容
• 第二章 相位偏折术测量研究内容基础
•   2.1 引言
•   2.2 系统参数标定
•     2.2.1 内参数标定
•     2.2.2 系统位姿关系标定
•   2.3 对应性求解
•     2.3.1 标准相移编码
•     2.3.2 嵌套相移编码
•     2.3.3 相位展开
•       2.3.3.1 周期相移编码
•       2.3.3.2 健壮中国剩余定理
•     2.3.4 嵌套相移编码仿真与分析
•     2.3.5 健壮中国剩余定理仿真与分析
•   2.4 梯度积分
•   2.5 本章小结
• 第三章 单相机监控偏折术
•   3.1 引言
•   3.2 单相机监控偏折术测量原理
•   3.3 PnP问题求解
•   3.4 单相机监控偏折术测量系统标定
•   3.5 系统搭建与测量
•     3.5.1 系统标定工作
•     3.5.2 测量镜面三维面形
•   3.6 本章小结
• 第四章 双层平面偏折术
•   4.1 引言
•   4.2 双层平面偏折术测量原理
•     4.2.1 不考虑折射影响
•     4.2.2 考虑折射影响
•   4.3 双层平面偏折术标定方法
•     4.3.1 折射参数标定
•     4.3.2 标定系统位姿关系
•   4.4 双层平面偏折术系统搭建与精度验证
•     4.4.1 标定折射参数及系统位姿关系
•     4.4.2 系统测量精度验证
•   4.5 本章小结
• 第五章 立体偏折术
•   5.1 引言
•   5.2 一维搜索计算法线原理
•   5.3 平行镜面标定法
•     5.3.1 旋转矩阵标定
•     5.3.2 单相机标定模式
•     5.3.3 双相机标定模式
•   5.4 仿真分析系统配置及平行镜面参数对重建精度影响
•   5.5 立体偏折术系统搭建及测量实验
•     5.5.1 立体偏折术系统参数标定
•     5.5.2 立体偏折术测量实验
•   5.6 本章小结
• 第六章 线面模型偏折术
•   6.1 引言
•   6.2 线面偏折术测量原理
•   6.3 线面测量模型标定方法
•     6.3.1 标定投影仪内参数、相机内参数及其位姿关系
•     6.3.2 仿真分析位姿关系标定对重建精度的影响
•   6.4 线面偏折术测量系统搭建和实验分析
•   6.5 本章小结
• 第七章 全文总结与展望
•   7.1 全文总结
•   7.2 展望
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
• 作者在攻读博士学位期间所作的项目
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 李晨

导师: 屠大维,张旭

关键词: 单相机监控偏折术,双层平面偏折术,平行镜面标定法,线面偏折术,径向基函数插值法

来源: 上海大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 上海大学

分类号: O435.1

DOI: 10.27300/d.cnki.gshau.2019.000322

总页数: 139

文件大小: 14380K

下载量: 172