【优秀硕士博士论文】基于单相机的数字光栅投影三维测量关键技术研究

基于单相机的数字光栅投影三维测量关键技术研究,报告内容,研究背景和意义,1,主要研究内容,2,完成的工作,3,结论,4,一、课题背景和意义,特征多，双目扫描容易产生扫描盲区，特别是对于文物和人体扫描。传统单相机测量存在约束过强和可操作性差。致力于开发结构简单，价格低，适合中小企业的测量系统。,一、课题背景和意义,国外研究早，商品化；国内测量精度、稳定性、设计工艺等与国外先进技术有较大的差距。,三维结构光测量,一、课题背景和意义,传统采用物理光栅，成本高，数字光栅会产生非正弦畸变。Gray码加相移技术，Gray码只能对条纹进行编 码，对解相精度没有提高。传统单相机结构光测量中，采用相位高度映射，约束强，可操作性差。双目存在扫描盲区，对于两个相机不能同时看到的区域，无法测量。,二、课题研究内容与技术路线,1,2,研究单相机和投影仪三维测量原理,3,4,光栅投影的相位误差分析和校正,基于单相机的投影仪标定方法,多频外差法解光栅条纹图相位,二、课题研究内容与技术路线,二、课题研究内容与技术路线,双目视觉的理论性支持,研究所良好的软硬件支持,好的实验研究方法支持,可行,二、课题研究内容与技术路线,关键技术 1.多频外差的光栅条纹解相位； 采用三种不同频率的光栅，每种频率各自解算相位主值，相位展开时同时使用三个相位值，提高了解相的稳定性和精度。 2.基于单相机的投影仪的标定； 借助于摄像机实现对投影仪的标定，通过摄像机图像生成对应的投影仪栅片图像，采用相机标定算法对投影仪标定。 3.投影仪和摄像机匹配的三维重建算法。 投影仪和摄像机标定后，组成了类似双目测量的系统，从而可以采用双目匹配三维重建的方法。,二、课题研究内容与技术路线,新见解1.提出一种基于投影仪和摄像机匹配的三维测量方法； 投影仪当做逆向摄像机实现标定，和摄像机一起组成双目测量的系统，采用双目匹配的算法实现对物体点的三维重建。2.提出一种光栅条纹的正弦性校正方法； 数字光栅条纹存在非线性，通过求解投影光栅的理想相位和实际相位分布的映射关系，对投影仪光栅模式进行自动调整，使投影出的光栅条纹具有更好的正弦性。3.提出一种基于摄像机的投影仪标定方法。 向标定板投射水平和垂直两个方向光栅，CCD同步拍摄图像，利用上述图像生成投影仪栅片图像，从而实现对投影仪标定。,三、已完成的工作,1.单相机的数字光栅投影测量原理研究。2.多频外差法求解光栅条纹图的相位。3.分析了投影仪和相机的非线性响应，完成了对光栅投射的非正弦性校正。4.利用matlab相机标定工具箱对相机进行标定。,三、已完成的工作,1.测量原理,三、已完成的工作,多频外差相移技术的基本原理是将两种不同频率的相位函数叠加得到一种频率更低相位函数 。,三、已完成的工作,三、已完成的工作,投影仪的非线性响应，主要由 变换产生：一般 推荐值为2.2，并受显卡动态调整。考虑CCD相机的三阶、二阶非线性，相机拍摄的图像存在 高阶非线性,三、已完成的工作,向白色平板投射灰度为0-255的一组图像，CCD同步拍摄，取每张图片的平均灰度值为输出灰度：,三、已完成的工作,响应曲线的多项式拟合（采用2-7阶多项式）：,三、已完成的工作,低亮度和高亮度范围有平台效应，改为投射灰度50-220：,三、已完成的工作,非线性响应引起的相位误差：,分别使用对投影仪设置的标准的正弦光栅光强和拟合得到的多项式计算的光强分别计算相位值，两者的差值即为相位误差。,三、已完成的工作,三、已完成的工作,校正前后投射光栅的灰度图：,校正后,校正前,三、已完成的工作,非正弦校正前后的计算误差比较：,校正前,校正后,三、已完成的工作,6.投影仪标定,三、已完成的工作,6.投影仪标定,三、已完成的工作,三、已完成的工作,标定结果：,四、结论与展望,分析了单相机数字光栅测量原理，提出单相机和投影仪的测量原理 ；详细分析相移原理和不同相位计算方法及其优缺点，并针对本文的方法重点研究多频外差原理进行相位的解算，以及相位解包裹方法。 分析了光栅图像的非正弦化过程及其对相位的计算影响，并对非正弦化引起的相位误差进行分析； 基于单相