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便携式数字相位光栅投影全貌测量系统的研究

张效栋  
【摘要】: 数字相位光栅投影法是非接触、整场测量技术,可以实现快速三维坐标测量。本文设计了基于数字相位光栅投影法的彩色轮廓测量系统,为了实现系统的便携式、快速全貌测量,深入研究了传感器设计、系统标定、靶标设计、全局标定和三维拼接等方面的内容。研究成果在工业设计、生产控制、医疗检测和虚拟现实等领域具有广阔的应用前景。论文的主要研究内容如下: 1.设计DLP投影仪和双摄像机组建的单传感器系统结构,其中DLP和单色摄像机组成三维轮廓测量系统,彩色摄像机用于彩色贴图;分析了物相关系模型,并提出基于立体视觉的颜色渲染模型; 2.研究基于相移法的相位调制和解调算法;分析了降低误差的方法,并对相位展开技术进行全面的介绍,深入研究了Huntley的时域展开技术,实现绝对相位提取; 3.研究物相模型和颜色渲染模型中的参数特性,提出测量模型分析方法,确定模型中的系统参数和变量参数,借助空间映射技术和绝对相位提取技术,建立多项式标定模型;提出新型虚拟空间靶标的设计思路,只需一个平面靶标即可确立空间点阵列; 4.设计新型方向性平面靶标,提出基于共线性规则的拓扑位置定位方法,利用矢量夹角量化三点的共线性,确定靶标像素坐标和世界坐标的对应关系;研究了适应于新型方向性靶标的处理算法。该项技术已申报发明专利; 5.研究了物体全貌测量技术,重点分析了多传感器全貌测量模式,使用平面靶标进行全局标定;提出基于平面靶标的测量数据重叠区域确定方法,提高三维拼接算法中的匹配点选取效率;研究基于Levenberg-Marquardt最优化的三维拼接算法,实现数据整合; 6.采用复杂多边形框选和系统判断结合的方法,对三维数据进行预处理,并提出基于RGB空间颜色边界约束的彩色点云缩减算法,该项技术已申报发明专利;研究了规则点云和杂乱点云的重构算法;设计并开发了基于OpenGL的彩色三维显示和处理平台; 论文在以下方面进行了创新性研究: 1.依据测量模型分析法,设计基于空间映射原理的系统标定算法,并设计新型虚拟空间靶标,仅使用一个平面靶标实现系统快速标定; 2.设计新型方向性平面靶标,提出基于共线性规则的拓扑位置定位方法,研究 了相应的图像处理算法和拓扑定位算法; 3.采用平面靶标对多传感器进行全局标定;并提出基于平面靶标确定重叠区域的方法,实现三维拼接算法中的匹配点快速查找,进行全貌数据的整合; 4.设计三维数据半自动化剔除杂点算法,并提出基于RGB空间颜色约束的点云缩减算法,实现对彩色点云数据的预处理。


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