基于编码结构光的三维测量技术研究.doc

基于编码结构光的三维测量技术研究结构光三维测量技术作为一种非接触、主动式的三维测量方法,具有无损、高效、成本低、可靠性高等优势,被广泛应用在文物重建、医学影像、工业测量、模具制造等领域。其中时间编码结构光法无需进行扫描,具有较高的测量效率,成为当前该领域的研究热点。在三维测量技术中,编码图案的设计成为改进三维测量技术的主要突破点。对此,本文主要通过对编码图案的设计来提高三维测量的测量速度及测量准确度,主要研究内容如下:(1)对三维测量系统的数学模型进行了分析研究,实现系统标定。采用张正友标定法对摄像机进行标定;将投影仪视为逆向相机,首先求取投影点的射线方程以及平面方程,采用线面相交法求出投影点的空间三维坐标,然后采用与相机标定相同的方法完成投影仪标定。通过对所提取角点进行重投影的方法来降低标定误差,所得标定结果满足测量精度需求。(2)研究了二灰度级格雷码编解码方法和灰度二值化方法,在此基础上实现了多灰度级格雷码的编解码过程及图像灰度多值化处理。分析了多灰度级格雷码的优缺点。对三维测量常用的正弦相移编码法进行了分析,为了解决正弦相移解码过程的复杂性,研究了应用简单线性运算解码的梯形相移强度比法。(3)针对传统的二进制格雷码结合正弦相移的编码方法投射图案多,解码复杂度高的问题,本文提出了多灰度级格雷码结合灰度梯形相移的编码方法。该方法将格雷码投射的编码图案减少到一半,且解码方法更加简单,大大加快了测量速度。本文首先采用四灰度级格雷码与三步梯形相移对称式组合编码方法进行三维测量,对解码中出现的周期错位现象进行了修正,分析了原理误差。在此基础上,进一步提出了四灰度级格雷码与三步梯形相移非对称组合编码方法,从原理上消除了周期错位现象,并将格雷码固有的一位解码误差降低为一个强度比误差,提高了测量准确度。并对投射的梯形强度比编码图案进行了灰度修正,减少了环境噪声的影响。通过实际测量实验,验证了本文编码方法的可行性,证明了本文提出的编码方法具有投射图案少、测量准确度高、抗干扰能力强、测量速度快的优点。