基于连续序列自动快速拼接的全方位三维测量技术研究

【摘要】：近年来随着传感器技术的快速发展,3D测量技术广泛应用于社会各行各业。数字光栅投影形貌测量方法作为3D测量的重要研究方向,其测量密度大、速度快、精度高、成本低,具有广阔的应用前景。本文针对数字光栅投影形貌测量轮廓术在测量精度和全方位立体拼接方面的一些关键问题和不足之处,以自动、精确、快速实现全方位测量与点云拼接为目标,对关键算法和实用方法展开研究,具体成果如下：1.系统检校精度在很大程度上影响系统测量精度,为实现便捷、精确的系统检校,在确定立体相机一投影仪组合测量系统的检校任务和检校内容的基础上,利用纯平LCD显示器制作平面靶标,考虑移动、倾斜、旋转等必须条件,制定了优化的拍摄方案,运用张正友检校方法进行立体相机检校。实验结果表明,该方案标定精度高、灵活性强,能为后续形貌恢复和点云拼接提供精确的定向数据。2.相位测量的精度、速度、可靠性决定了测量系统的总体性能,全面准确地评价时间相位展开算法对实际应用中的算法选择至关重要。本文提出了一种从反正切和取整两个函数对时间相位展开算法的可靠性进行综合评价方法,通过实验比较分析了该方法的评价结果与其它方法的评价结果,验证了该方法的正确性；运用精度评价方法,对五种典型相位展开算法的精度进行了理论分析和实验验证；进而从数据获取时间、计算时间、可靠性和精确度四个方面对目前常用的五种典型算法进行了综合比较。3.为提高相位测量精度,本文在深入分析最小二乘拟合法缺陷的基础上,提出了两种具有低非线性误差的高精度相位测量方法。第一种方法针对最小二乘拟合法无法有效消除系统非线性误差的问题,综合运用现有多方面研究成果,基于三频外差时间相位展开算法,提出了结合双四步相移法与最小二乘拟合(或简单算术平均)的实用方法。理论证明了该方法的可行性,全面分析与评价了该方法的性能。实验结果表明,该方法在校正系统非线性误差的同时,能有效提高测量精度。第二种方法针对最小二乘法拟合不同时间相位展开算法时精度提高不稳定的问题,提出了一种相位均值法。该方法增加时间相位展开算法在时间序列最大时间点的重复采样次数,借助双四步相移法校正非线性误差,利用算术平均降低随机误差,并讨论了该方法在两种不同时间相位展开算法中的应用。实验结果表明该方法稳定、快速、精度高。运用该方法,不同应用可根据对精度、速度、可靠性的综合需求灵活地选择时间相位展开算法和序列长度。4.双摄像机立体视觉形貌恢复方法具有几何约束少、检校参数少、灵活性高等优点,但在二维相位特征立体匹配时时间开销大,为此,本文提出了一种基于投影相位空间映射的二维相位特征匹配方法。该方法利用了立体相机获取的二维相位编码与投影二维相位编码之间的对应关系,分别将两台相机的相位空间映射对应到投影仪相位空间,进而在投影仪像空间坐标系下对两台相机的像空间坐标进行匹配。实验结果表明该方法准确性高,速度快。该算法的匹配结果可用于反算外方位参数,为进一步研究基于连续测量序列的点云拼接提供了直接依据和算法基础。5.目前常用的点云拼接方法难以同时保证初始定向参数的估计误差小和拼接过程的自动化,本文提出了基于投影空间约束的全方位立体拼接方法。该方法在测量方案上赋予测量系统的两个子系统独立移动的能力,采用交叉覆盖方式对物体表面进行立体测量,依据相邻摄站间的投影相位空间约束关系,实现多摄站点云的绝对定向；在计算方式上以绝对定向结果为初始参数,结合ICP算法,求解精确定向参数,完成点云的自动拼接。该方法的最大优势在于利用了投影空间约束提供的较为准确的初始定向参数,结合ICP算法能有效消除累积误差。实验表明该方法能够实现全方位测量点云的快速、精确拼接。若配合硬件移动平台,在无需精确检校移动、旋转等参数的情况下,可实现对物体全貌的全自动、快速测量。本文从系统的角度出发,围绕自动、精确、快速实现全方位测量与点云拼接为目标依次展开了深入的探讨。在一些关键问题上提出了一些实用、高效的算法和解决方案,对该领域的相关研究具有一定的实用参考价值。