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组合式时间编码结构光三维测量方法与技术

单鹂娜  
【摘要】: 结构光三维测量技术以其高速、高效和低成本等优点,在视觉三维非接触测量领域应用前景广阔,其中编码结构光法测量效率高、识别容易,是结构光三维测量技术的主要发展趋势。时间编码方法相对于空间编码方法和直接编码方法具有较高的准确度和采样密度而成为编码结构光的发展方向。但是,在提高速度的同时提高准确度和采样密度等综合技术指标是视觉三维测量技术永恒的追求目标。为此,本文在保证测量速度的同时,以提高准确度和采样密度为目的,研究组合式时间编码结构光三维测量方法与技术。 在对传统的组合式循环正弦相移法进行理论分析的基础上,本文提出组合式循环梯形相移强度比法,将梯形相移强度比和循环码结合进行编码。在充分保证相移法高采样密度的同时,由简单的算术运算代替相移法复杂的反正切运算,使运算速度仅为组合式循环正弦相移法的1/10,有效提高了测量速度。 针对组合式循环梯形相移强度比法测量原理导致的一位循环码误差和周期错位问题,提出非对称组合式循环梯形相移强度比法,通过对梯形相移和循环码编码周期的码距及对应位置的非对称组合,将解码过程中的一位循环码误差减小到一个强度码误差,从原理上消除了周期错位,提高了测量准确度。 为提高循环码的解码准确度,提出自适应阈值带二值化方法,通过舍掉部分采样点而提高二值化准确度、提高测量的抗干扰能力。 基于3D MAX和MATLAB环境建立三维测量仿真系统,完成仿真系统标定;针对各种典型三维表面分别采用组合式正弦相移法、组合式循环梯形相移强度比法、非对称组合式梯形相移强度比法三种方法进行三维测量仿真对比实验。 设计并组建实验装置及其标定设备,完成装置测量标定实验,采用非对称组合式梯形相移强度比法进行典型表面三维测量实验,对其进行实验验证。 理论分析和仿真结果表明: 组合式循环正弦相移法对于平面和复杂表面的重构结果与视觉上基本相符,对于700-1000mm深度范围内,平面最大误差小于2.304mm,但是重构平面和曲面都存在周期错位误差;组合循环梯形相移强度比法修正错位后重构平面较平滑,有波动,但无周期错位误差,平面最大误差小于0.753mm,但该方法重构复杂表面不光滑,视觉上与被测物不相符;非对称组合循环梯形相移强对比法重构平面和复杂曲面光滑、视觉上与被测表面相符,不存在周期错位误差,平面最大误差小于0.514mm。装置测量实验结果表明: 在700mm~1000mm深度范围内,最大误差小于3mm,测量准确度为0.3%;采用面向结构光的三维重构方式对被测物体进行重构,重构结果表明被测物体表面与重构结果视觉效果相符,能够平滑细致地反映被测表面形貌。


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