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基于彩色编码的结构光动态三维测量及重构技术研究

韦争亮  
【摘要】: 形体三维测量技术已广泛应用于反求工程、产品质量检测、物体识别等领域,但多为静态测量,无法实现运动或者变形物体的三维测量和形面重构。动态三维测量在高速检测,物体变形分析,仿生学,人体检测等领域具有很好的应用前景。论文对结构光动态三维测量系统的关键技术进行了深入研究。 基于彩色编码原理,将6色3次伪随机条纹序列的色彩信息溶入亮度呈余弦周期变化的数字栅线图中,构成彩色栅线空域编码的测量传感图案,在单幅图案内实现高分辨率的像素级唯一编码,满足动态三维测量要求。构建了投影栅相位法和双目立体视觉相结合的双摄像机单投影仪动态三维测量系统。 提出了一种仿人类视觉由粗到细分析过程的彩色栅线图像解码技术。在直觉阶段基于亮度峰值与色彩信息实现周期划分相展开,在专注阶段基于局部亮度变化关系进行空域解相。解码算法具有较高可靠性和抗噪能力,而且丰富色彩信息的引入解决了传统相展开算法复杂耗时、无法测量不连续物体的缺点。使用单平面标定块,采用Tsai两步法及非线性优化方法完成摄像机标定。 提出了基于特征点投影和基于虚拟摄像机标志点反向成像的两种投影仪标定技术,解决了投影仪标定中输入点三维坐标及二维投影坐标精确获取的难题。实验结果表明,研究的标定方法操作简便、具有较高的标定精度。 为了提高被测物体三维重构精度,基于极线几何约束,通过亚像素技术改善解码信息的定位和匹配精度。针对相位粗匹配中的精度缺陷,采用自适应调整的立体视觉窗口数字相关技术根据彩色栅线纹理在局域实现更精确的匹配。 针对散乱无序测量点云数据的三角网格模型的重构,提出了控制合适生长条件的循环扩展重构算法,以及基于曲线曲面拟合的大面积复杂形面孔洞缺陷光顺修补算法。实例表明算法能有效重构各类复杂点云,并实现高质量修补。 论文在彩色编码图设计、单幅图像解码、投影仪标定、自适应相关精匹配以及点云三角网格重构和修补部分作出了创新,所研究的动态三维测量系统具有较高测量精度与分辨率,可实现复杂形面或不连续物体的动态三维测量和重构。研究成果扩大了结构光三维测量技术的应用范围和实用性。


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