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时间编码结构光三维视觉系统的研究

郭金先  
【摘要】:随着经济发展和社会进步及生产水平的提高,装备制造业等诸多行业和领域对非接触三维在线检测有着迫切的需求,导致了以结构光三维视觉检测系统为代表的光学三维视觉检测设备的迅速发展。在各种光学三维视觉检测方法及设备中,结构光法显示了在分辨率及速度上的优势,目前国外普遍认为这是迄今为止实用性最强的方法,已成功的例子也证明了这一点。因此,结构光三维视觉检测方法及设备应用背景极其重要。 本文在综合分析和评述结构光三维视觉的国内外现状与发展的基础上,详细地介绍结构光三维视觉的基本原理,采用二灰度级时间编码的测量方法并组成测量系统;在建立摄像机数学模型和投射器模型的基础上,通过引入约束摄像机和投射器之间位置关系的几何约束条件,进而建立深度传感器的数学模型;采用同时利用正常和反向编码图案的方法,实现条纹边界测量的亚像素准确度,同时减小环境光和被测景物表面变化对深度测量结果的影响;摄像头和投射器参数同时采用非线性最小二乘估计模型进行估计,其输出包含被估计的参数及其准确度;对比3D 检测点的理论准确度σ? X、σ? Y和σ? Z与实际准确度RMSE X、RMSE Y和RMSE Z的实验数据,对本文提出的数学模型、系统参数估计及其准确度、深度测量准确度估计等理论进行验证;用给定轴长和方向的误差椭圆来表示深度测量的协方差矩阵,研究误差椭圆的长轴方向与投射器光轴方向的关系、误差椭圆长轴与到摄像机的距离两者之间的关系;提出系统标定方法,完成系统标定实验。 本文为提高基于时间编码方法的结构光三维视觉系统的深度测量准确度提供了一种方法,其研究结果丰富了结构光三维视觉技术的理论,并对结构光三维视觉系统的设计与应用具有实际指导意义。


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