【优秀硕士博士论文】基于单相机的数字光投影三维测量关键技术研究

1、机械工程学院先进制造技术研究所模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所基于单相机的数字光栅投影基于单相机的数字光栅投影三维测量关键技术研究三维测量关键技术研究模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所报告内容报告内容 研究背景和意义研究背景和意义1 主要研究内容主要研究内容2完成的工作完成的工作3结论结论4模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所一、课题背景和意义一、课题背景和意义n 特征多，双目扫描容易产生特征多，双目扫描容易产生扫描盲区扫描盲区，特别是对于文物和人特别是对于文物和人体扫描。体扫描。n 传统单相机测量存在传统单相机测量存在约束过强和可操作性差约束过强和可

2、操作性差。n 致力于开发致力于开发结构简单，价格低结构简单，价格低，适合中小企业的测量系统。，适合中小企业的测量系统。1.选题背景和意义选题背景和意义 本课题得到国家本课题得到国家863项目和江苏省科技支撑计划支持项目和江苏省科技支撑计划支持模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所一、课题背景和意义一、课题背景和意义n 国外研究早，商品化；国外研究早，商品化；n 国内国内测量精度、稳定性、设计工测量精度、稳定性、设计工艺艺等与国外先进技术有较大的差等与国外先进技术有较大的差距。距。三维三维结构光结构光测量测量 激光扫描法激光扫描法 傅里叶变换轮廓术傅里叶变换轮廓术 相位测量轮廓术相位测

3、量轮廓术2.国内外研究现状国内外研究现状模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所一、课题背景和意义一、课题背景和意义n 传统采用物理光栅，成本高，数字光栅会产生传统采用物理光栅，成本高，数字光栅会产生非正非正弦畸变弦畸变。n graygray码加相移技术，码加相移技术，graygray码只能对条纹进行编码只能对条纹进行编 码，对码，对解相精度没有提高解相精度没有提高。n 传统单相机结构光测量中，采传统单相机结构光测量中，采用相位高度映射，用相位高度映射，约束强，可约束强，可操作性差操作性差。n 双目存在双目存在扫描盲区扫描盲区，对于两个，对于两个相机不能同时看到的区域，无相机不能同时看

4、到的区域，无法测量。法测量。3.主要存在的问题主要存在的问题模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所二、课题研究内容与技术路线二、课题研究内容与技术路线12研究单相机和投影仪三维测量原理34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1.主要研究内容主要研究内容多频外差法解光栅条纹图相位模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所二、课题研究内容与技术路线二、课题研究内容与技术路线总体技术路线2.技术路线技术路线模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所二、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双目视觉的理论性支持研究所良好的软硬件支持

5、研究所良好的软硬件支持好的实验研究方法支持好的实验研究方法支持可行3.可行性分析可行性分析模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所二、课题研究内容与技术路线二、课题研究内容与技术路线n关键技术关键技术 1.多频外差多频外差的光栅条纹解相位；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。时同时使用三个相位值，提高了解相的稳定性和精度。 2.基于单相机的基于单相机的投影仪的标定投影仪的标定； 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借助

6、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。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。用双目匹配三维重建的方法。4.关键技术与新见解关键技术与新见解模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所二、课题研究内容与技术路线二、课题研究内容与技术路线n新见解新见解1.1.提出一种基于投影仪和摄像机提出一种基于投影仪和摄像机匹配

7、的三维测量方法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。用双目匹配的算法实现对物体点的三维重建。2.2.提出一种光栅条纹的提出一种光栅条纹的正弦性校正方法正弦性校正方法； 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。好的正弦

8、性。3.3.提出一种基于摄像机的提出一种基于摄像机的投影仪标定方法投影仪标定方法。 向标定板投射水平和垂直两个方向光栅，向标定板投射水平和垂直两个方向光栅，ccdccd同步拍摄图像，利用上述图同步拍摄图像，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。像生成投影仪栅片图像，从而实现对投影仪标定。4.4.关键技术与新见解关键技术与新见解模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 三、已完成的工作三、已完成的工作1.单相机的数字光栅投影单相机的数字光栅投影测量原理测量原理研究。研究。2.多频外差法多频外差法求解光栅条纹图的相位。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

9、，完分析了投影仪和相机的非线性响应，完成了对光栅投射的成了对光栅投射的非正弦性校正非正弦性校正。4.利用利用matlab相机标定工具箱对相机进相机标定工具箱对相机进行行标定标定。模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 三、已完成的工作三、已完成的工作1.测量原理测量原理 通过拍摄经高度调制的光栅条纹图，分析条纹图相位，利通过拍摄经高度调制的光栅条纹图，分析条纹图相位，利用投影仪和摄像机组成的双目匹配，计算三维点坐标。用投影仪和摄像机组成的双目匹配，计算三维点坐标。模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完成的工作三、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

10、率的相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位函数叠加得到一种频率更低相位函数 。1 212b2.数字相移与多频外差数字相移与多频外差模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所 三、已完成的工作三、已完成的工作拍摄的光栅图像解相结果2.数字相移与多频外差数字相移与多频外差阶梯块的解相结果：阶梯块的解相结果：模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、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、二阶非线性三阶、二阶非线性，相机拍摄的图像存在 高阶非线

11、性高阶非线性323210( , ) ( , ) ( , ) ( , )cnnnni x yk i x yk i x yk i x yk( , )( , )pnnix yix y33.相位误差分析相位误差分析模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完成的工作三、已完成的工作 向白色平板投射灰度为向白色平板投射灰度为0-2550-255的一组图像，的一组图像，ccdccd同步同步拍摄，取每张图片的平均灰度值为输出灰度：拍摄，取每张图片的平均灰度值为输出灰度：4.系统灰度响应系统灰度响应模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完成的工作三、已完成的工作响应曲线的多项式拟合

12、（采用2-7阶多项式）：4.系统灰度响应系统灰度响应模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完成的工作三、已完成的工作低亮度和高亮度范围有低亮度和高亮度范围有平台效应平台效应，改为投射灰度，改为投射灰度50-22050-220：4.系统灰度响应系统灰度响应模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完成的工作三、已完成的工作 非线性响应引起的相位误差：分别使用对投影分别使用对投影仪设置的标准的仪设置的标准的正弦光栅光强和正弦光栅光强和拟合得到的多项拟合得到的多项式计算的光强分式计算的光强分别计算相位值，别计算相位值，两者的差值即为两者的差值即为相位误差。相位误差。4.系

13、统灰度响应系统灰度响应模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完成的工作三、已完成的工作非正弦性校正原理：非正弦性校正原理： 利用投影仪可以方便，准确地实现相移的优点，对设定好的光栅模式使用n步相移法得到条纹的理想相位和实际的畸变相位分布,然后由灰度(相位)的映射关系得到光栅模式的校正值。 psssusspsppsppspp i i 1 (1) i (1) i (1) (1) 2 (2) i (2) i (2) (2) 3 (3) i (3) i (3) (3) 2( ),1,2,.puu utt5.非正弦性校正非正弦性校正模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完

14、成的工作三、已完成的工作校正前后投射光栅的灰度图：5.非正弦性校正非正弦性校正校正后校正后校正前校正前模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完成的工作三、已完成的工作非正弦校正前后的计算误差比较：5.非正弦性校正非正弦性校正校正前校正前校正后校正后模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完成的工作三、已完成的工作6.投影仪标定投影仪标定 小孔成像模型投影仪标定模型模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完成的工作三、已完成的工作6.投影仪标定投影仪标定投影仪图像生成过程模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完成的工作三、已完成的工作标

15、定的图片标志点中心6.投影仪标定投影仪标定模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所三、已完成的工作三、已完成的工作标定结果：标定结果：3052.0420631.47303066.776491.357001kerr0.52306 0.53373a内部参数矩阵畸变参数矩阵为：= -0.00339-0.115680.00053-0.00130重投影误差：6.投影仪标定投影仪标定模具与先进成形技术研究所模具与先进成形技术研究所四、结论与展望四、结论与展望n 分析了单相机数字光栅测量原理，提出单相机和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投影仪的测量原理 ；n 详细分析相移原理和不同相位计算方法及其优缺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。行相位的解算，以及相位解包裹方法。 n 分析了光栅图像的非正弦化过程及其对相位的计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；算影响，并对非正弦化引起的相位误