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线结构光三维传感中关键技术研究

吴庆阳  
【摘要】:光学三维面形测量方法,具有非接触、测量速度快、精度高、易于在计算机控制下实行自动化测量等优点,己得到大量深入研究并且被广泛应用。在几种主动三维传感技术中,采用线结构光扫描进行测量的直接三角法测量由于其具有结构简单、扫描及数据处理速度快、精度较高、设备费用相对较低等特点在产品质量控制、反求工程等领域有着广泛的应用。它的基本思想是通过投射激光线光束到被测物体表面,在物体表面形成一条投影亮线。从与投影方向不同的另一个方向观察,由于受到物体高度的调制,该亮线发生变形。通过对像面上亮线像坐标的计算可以得到物体上一个剖面的高度数据,如果再加上一维扫描就可以得到三维面形分布。 本文就线结构光三维测量过程的几个关键性的问题进行了研究,主要研究内容和取得的成果如下: 1.提出了一种新的基于共面靶标的线结构光传感器的标定技术,在保证了标定精度的前提下,有效地降低了标定复杂度和制作标定模块的成本。它是通过将线结构光投影在一个带有棋盘格图案的平面靶标上,自由地移动几个位置,就可以建立起线结构光平面与摄像机图像平面的关系。然后在此基础上,提出了采用线结构光的多传感器系统中多个传感器之间数据的校准和融合技术。即将线结构光投影在平面靶标上,多个摄像机同时进行图像采集,然后根据多个摄像机相互之间的公共测量区域信息,完成对多个摄像机的标定和校准。针对旋转测量系统中如何确定旋转轴这一问题,提出了计算旋转平台旋转中心轴方程的方法:即将平面靶标放在旋转平台上,旋转几个位置,然后通过3种方式求出旋转中心轴的方程,1)计算这几个位置处的靶标平面坐标系到摄像机坐标系之间的旋转矩阵,由旋转矩阵计算出旋转中心轴方程;2)求出靶标平面上一系列固定点在不同位置处的坐标,然后分别进行圆拟合,求出圆心,然后对圆心进行直线拟合,从而求出旋转轴的方程。3)求出靶标平面上两个固定点在不同位置处连线的中垂面,这两个中垂面的交线即为旋转中心轴。


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