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基于光栅投影的物体表面三维重构方法研究

基于光栅投影的物体表面三维重构方法研究

作者：王露玲内蒙古科技大学

学位级别：硕士

基于光栅投影的物体表面三维重构方法属于结构光视觉三维测量方法中的一种,是目前应用最广泛的主动式非接触三维测量技术之一。由于该技术具有测量精度高、测量速度快及非接触等优点,所以被广泛应用于工件测量、质量控制、生物医学、磨... 详细信息

基于光栅投影的物体表面三维重构方法属于结构光视觉三维测量方法中的一种,是目前应用最广泛的主动式非接触三维测量技术之一。由于该技术具有测量精度高、测量速度快及非接触等优点,所以被广泛应用于工件测量、质量控制、生物医学、磨具设计、文物保护、逆向工程及机器视觉等领域,故对基于光栅投影的物体表面三维重构方法进行研究具有重要的理论和现实意义。本文以计算机视觉检测理论为基础,采用理论与实验相结合的方法,对基于光栅投影的物体表面三维重构方法进行了研究。论文对光栅投影技术的相关理论基础和研究现状做了介绍,并分析了光栅投影技术的研究热点和难点,结合空间相位展开技术和时间相位展开技术的研究现状和优缺点,指出了基于多频率投影条纹进行时间相位展开技术研究的价值。光栅投影三维测量中的关键步骤是从相位图中准确地求解出绝对相位,在众多相位展开方法中,基于多频投影条纹的时间相位展开方法具有计算速度快、可实现像素点独立相位展开、细节分辨能力较强等特点而得到广泛应用。基于对时间相位展开技术的文献调研,本文采用了一种三频外差解相位算法,该算法提高了多频外差解相对细节的分辨能力,有效地抑制了解相产生的跳跃性误差,且大大减小了解相的非线性误差。选用了合适周期的投影条纹并进行了仿真和实验研究,通过添加扰动和随机误差的两种方式验证了本算法的有效性,并通过实验验证了本算法的准确性。在分析了现有的系统参数标定方法的基础上,本文采用了一种摄像机投影仪联合标定方法,只需一个标准块再结合已知像素信息,就可以得到高度相位映射关系,并通过实验验证了本算法的有效性。通过搭建实验平台,对目标工件进行了三维重构和三维测量,得到了几何参数信息,减小了测量误差,进一步验证了本文所述方法的有效性和准确性,达到了预期目标,研究工作具有一定的理论意义与实际应用价值。

关键词：机器视觉光栅投影多频相位展开系统标定三维重构

航空发动机叶片光栅投影测量的图像处理及相位提取研究

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航空发动机叶片光栅投影测量的图像处理及相位提取研究

作者：程妍妍河北工业大学

学位级别：硕士

在我国航空工业迅速发展的大背景下，航空发动机正在扮演着越来越重要的角色，而叶片是航空发动机的重要零部件之一。非接触式三维测量在精确、实时性测量并修复航空发动机叶片方面具有广阔的应用前景，是目前航空发动机叶片测量修复领... 详细信息

在我国航空工业迅速发展的大背景下，航空发动机正在扮演着越来越重要的角色，而叶片是航空发动机的重要零部件之一。非接触式三维测量在精确、实时性测量并修复航空发动机叶片方面具有广阔的应用前景，是目前航空发动机叶片测量修复领域的研究热点和未来发展趋势。本文以航空发动机叶片作为研究对象，采用非接触式，全视场测量范围及实时性等优点的光栅投影式测量进行研究。初步实现快速测量叶片数据。根据交叉光轴系统的测量原理，搭建单目测量系统硬件平台，主要由投影装置，CCD摄像机，计算机组成。采用计算机生成标准正弦条纹并投影，利用摄像机采集投影在被测物上的变形条纹图像。根据相位测量原理，用四步相移法提取相位。利用颜色空间转换方法，由RGB空间转换为YCbCr空间，抑制叶片的反光部分。用最佳条纹频率选择方法选择三种不同的频率，分别投影、采集并提取和展开相位，得到三幅不同频率的包裹相位图。标定摄像机和系统平台，利用虚拟平面可灵活自由运用的优点，实现任意位置的标定，提高测量效率。推导出物点高度与测量系统之间的关系式。由展开相位和标定得到的物相关系式，求出被测叶片的三维数据。

关键词：光栅投影发动机叶片反光抑制非均匀条纹最佳条纹频率

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光栅投影轮廓术的测量高度及适应性研究

机电技术 2004年第B10期27卷 118-121页

作者：林俊义刘华肖棋华侨大学模具技术研究中心，泉州362011

针对光栅投影轮廓术的测量精度对待测物体缺乏适应性的特点，提出一种在彩色光栅投影下，用软件实现两次变精度测量的方法，以适应待测物体形面的突然起伏；同时，根据彩色光栅的特点，用软件实现提高系统的高度测量能力。实验证明本方... 详细信息

针对光栅投影轮廓术的测量精度对待测物体缺乏适应性的特点，提出一种在彩色光栅投影下，用软件实现两次变精度测量的方法，以适应待测物体形面的突然起伏；同时，根据彩色光栅的特点，用软件实现提高系统的高度测量能力。实验证明本方法简单、可行。

关键词：光栅投影软件实现轮廓彩色系统高度测量测量精度精度测量

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光栅投影三维测量在逆向工程中的应用

测控技术 2003年第7期22卷 51-53页

作者：巩绪庆达飞鹏郑君立雷明涛盖绍彦东南大学自动化研究所江苏南京210096

针对逆向工程中的光栅投影三维测量技术的原理进行了阐述 ,对测量中的关键技术进行了分析 ,并给出了详尽的算法及实验结果。实践结果证明 ,这种算法高效。

关键词：逆向工程光栅投影灰度编码法图像处理

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发动机叶片型面测量的光栅投影法研究

发动机叶片型面测量的光栅投影法研究

作者：刘永超北京邮电大学

学位级别：硕士

发动机是飞机动力的来源,也是飞机的核心部件。发动机叶片的质量直接影响发动机的性能,是研究制造高性能航空发动机设备的关键。叶片在生产过程中对于环境条件和尺寸精度的要求很高,对于叶片的检测必须非常严格,因此发动机叶片型面的三... 详细信息

发动机是飞机动力的来源,也是飞机的核心部件。发动机叶片的质量直接影响发动机的性能,是研究制造高性能航空发动机设备的关键。叶片在生产过程中对于环境条件和尺寸精度的要求很高,对于叶片的检测必须非常严格,因此发动机叶片型面的三维轮廓测量成为了一个新的研究方向。近几年,光学三维非接触测量技术,以其非接触性,测量速度快,测量精度高等诸多优点,在产品检测,逆向工程,生物医学等领域应用越来越广泛。本文在总结现有发动机叶片制造检测技术的基础上,研究实现以光栅投影法对其进行光学非接触测量。主要研究内容包括如下几个方面： 1、研究分析了现有光学测量技术,介绍了结构光法三维轮廓测量技术的基本原理,以相移法和傅立叶变换法光栅投影技术为基础,进行计算机仿真验证,为发动机叶片测量系统搭建测量平台,对于系统结构,系统标定等关键问题进行重点讨论。 2、研究图像预处理算法,由于测量过程中投影设备和采集设备的非线性效应,使得提取的图像相位产生非正弦失真,测量结果存在较大误差。所以在算法设计过程中,需要对灰度图像进行滤波处理,有效提取出基频信息,提高结果的精度。 3、研究相位展开算法的基本原理和方法,对于相位展开过程中存在的误差进行了分析,提出等高线法进行局部相位展开,通过标定平板进行了仿真实验,验证了算法的有效性。 4、研究测量系统标定的方法,并从理论上分析了系统误差,搭建了叶片型面三维轮廓测量的实验系统,通过计算机软件控制投影仪来投影光栅,由照相机获取变形的结构光图像,完成了系统的硬件和软件设计工作。

关键词：叶片型面三维测量光栅投影

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基于光栅投影法三维照相系统的研究

基于光栅投影法三维照相系统的研究

作者：杨海民华中科技大学

学位级别：硕士

在工业上,非接触式三维测量通常采用“激光扫描+CCD”的模式进行,对测量对象可以采用各种功率的激光进行扫描,并允许任意长时间的扫描测量。从三维测量的结果来看,工业三维测量只要能够得到精确的实物三维信息即可,对测量结果的视觉效... 详细信息

在工业上,非接触式三维测量通常采用“激光扫描+CCD”的模式进行,对测量对象可以采用各种功率的激光进行扫描,并允许任意长时间的扫描测量。从三维测量的结果来看,工业三维测量只要能够得到精确的实物三维信息即可,对测量结果的视觉效果要求不高。然而,如果人像的三维测量也采用“激光扫描+CCD”的测量模式,一旦激光的功率稍大,直接射入人眼时便有可能对人眼产生严重伤害,故人像的三维测量不宜采用激光。再有,人像的三维测量不仅要考虑其测量的精度,而且还要考虑测量结果的观赏性和艺术性,即根据人像测量数据进行三维重建,并由几何模型生成激光内雕刻点,再将这些人像的内雕刻点雕刻在水晶玻璃内部时,所表达的人像必须形神兼备。本文即是在该思想的指导下,开展人像三维照相技术研究的。首先,本文根据光切法三维测量原理,通过理论研究和大量的实验,提出了光栅投影式视觉三维测量方法;文中作者以所开发的主要由光栅投影仪和数码相机构建的人像三维测量系统为例,介绍了光栅投影式三维测量技术。其次,针对本文开发的三维测量系统,设计了图像摄取的光照控制电路。在系统摄取数字图像时,控制电路根据数字相机控制信号,实现了对投影仪内置投影灯和外置摄影照明灯进行时序控制。再次,作为三维照相技术的基础,本文介绍了光栅投影式三维照相系统的各项系统参数的标定方法。详细介绍了光栅投影仪(结构光平面)的参数标定技术,并在数码相机和光栅投影仪两者标定的基础上进行了有益的改进,建立了一种精确的三维照相系统的参数标定模型,设计了完整的系统标定方案。最后,本文介绍了光栅投影式三维照相系统的三维测量软件平台及其相关操作过程。三维测量软件凭借其强大的三维数据处理功能,对测量得到的三维点进行优化处理,得到激光雕刻系统可以直接使用的人物面部三维点群数据。激光雕刻系统可以将人脸的三维图像栩栩如生地雕刻在水晶玻璃内部。

关键词：反求工程三维测量三维重建三维照相光栅投影光栅平面标定

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三维形貌测量光栅投影技术研究

三维形貌测量光栅投影技术研究

作者：班荣兴天津大学

学位级别：硕士

物体的三维形貌测量在工业检测、产品质量监控、机器视觉及逆向工程等众多方面具有很重要的意义,传统的测量方法如接触测量法、点线结构光测量法等均不能很好地兼顾测量速度与精度。为了满足工业现场对三维自由曲面形貌高精度、快速的... 详细信息

物体的三维形貌测量在工业检测、产品质量监控、机器视觉及逆向工程等众多方面具有很重要的意义,传统的测量方法如接触测量法、点线结构光测量法等均不能很好地兼顾测量速度与精度。为了满足工业现场对三维自由曲面形貌高精度、快速的测量需求,本文在采用数字正弦光栅条纹投影的方法基础上提出了一种基于DMD数字微镜的微投影系统设计方案,将数字图像直接转换为数字光信号经过微显示芯片的反射投影出来,相位连续分布的光场被被测物表面所调制,同时发出帧同步触发信号,使高速CCD彩色相机同步捕获变形后的条纹图像。数字条纹投影系统具有以下优势:1.投影的正弦光栅条纹图的相位在空间中连续分布,可一次投影完全覆盖整个三维曲面,测量速度快,对相位解算提取三维形貌信息,测量精度高。2.可以根据实际需要随意生成相位任意变换的条纹图像,克服了使用物理光栅带来的各种缺点。3.数字图像信息的输入直接转换为数字光信息输出,避免了D/A转换过程中带来的噪声干扰,提高了投影图像的质量。4.采用单色条纹图像投影,避免了多颜色通道投影带来的串扰。本文主要的研究工作包括:1.根据应用于工业现场的微投影系统的需求,分析了投影系统的设计要求,并完成了基于DMD数字微镜的微投影系统的系统构建方案。2.完成了微投影系统硬件系统和照明光源的选型。3.完成了基于DLPC350的DMD微镜控制以及LED光源驱动硬件系统的设计。4.在Windows环境下,通过USB协议完成上位机对投影系统的软件控制平台的编写。5.完成驱动电路板的绘制,对电气性能进行测试,同时完成各功能模块的实验验证,针对物体三维形貌测量数字投影的误差及抑制方法进行了详细的分析并进行了实验验证。

关键词：三维形貌测量 DMD 数字微镜光栅投影 LED DLPC350

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基于光栅投影的配油盘尺寸测量与模型重建

基于光栅投影的配油盘尺寸测量与模型重建

作者：何玉安徽建筑大学

学位级别：硕士

液压元件是机械设备中常用的零部件,其模型和产品尺寸精度直接关系到机械设备的性能。现有的接触式测量方法检测效率较低,不适用于批量在线检测。针对该问题,本文以配油盘作为测量对象,利用光栅投影法获取配油盘的表面三维点云,进而从... 详细信息

液压元件是机械设备中常用的零部件,其模型和产品尺寸精度直接关系到机械设备的性能。现有的接触式测量方法检测效率较低,不适用于批量在线检测。针对该问题,本文以配油盘作为测量对象,利用光栅投影法获取配油盘的表面三维点云,进而从点云数据中提取关键尺寸并且重建三维模型。本文所做的工作为:首先,基于一种几何约束条件较为宽松的系统模型搭建了一套三维光学检测平台,使用了四步相移法求解相位主值,并利用双频外差法展开相位,进而根据绝对相位和系统标定得到的系统参数求解配油盘表面三维点云数据。其次,分别使用点云边缘自动提取算法和基于改进KD-tree邻域提取边缘算法来获得配油盘的边界点云数据,对比这两种算法的实验效果可知,点云边缘自动提取算法只能提取配油盘外圆轮廓边界点,而采用基于改进KD-tree邻域提取边缘算法能够有效提取完整的配油盘外圆和内部圆孔轮廓边界点,并且通过改变邻域点k值和角度阈值j,可以选择合适的配油盘边缘点。在此基础上,使用空间圆拟合算法对所提取的边界点数据进行拟合,计算得到配油盘外圆和内部圆孔半径,尺寸测量结果满足零部件检测精度要求。最后,基于配油盘的三维轮廓点云数据,分别使用Crust算法和增量网格重建算法重建配油盘三维模型。对比分析两种网格曲面重建算法实验结果可得,Crust算法三维重建得到的模型表面出现较多的孔洞,而采用增量网格重建算法能够获得更为完整的三维模型。综上,本文实现了配油盘表面三维点云数据的获取,从中提取部分尺寸参数,并且重建了配油盘三维模型。能够为相近的盘类液压元件的尺寸检测与模型重建提供技术与方法参考。图[25]表[8]参[62]

关键词：配油盘光栅投影点云尺寸测量模型重建

基于光栅投影的复杂物体三维面形测量方法研究

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基于光栅投影的复杂物体三维面形测量方法研究

作者：满云凤中国石油大学

学位级别：硕士

构造物理模拟实验是研究地质构造的一种有效方法,是帮助地质学家研究构造变形过程和形成机制的重要方法。构造物理模拟的实质是利用相似性原理,根据运动、几何等相似理论,研究地质构造的成因和演化过程,对构造的结构进行定性和定量分析... 详细信息

构造物理模拟实验是研究地质构造的一种有效方法,是帮助地质学家研究构造变形过程和形成机制的重要方法。构造物理模拟的实质是利用相似性原理,根据运动、几何等相似理论,研究地质构造的成因和演化过程,对构造的结构进行定性和定量分析。本文在大量查阅国内外相关文献的基础上,进行了基于光栅投影的复杂物体三维面形测量方法的研究与改进,建立了一套基于交叉光轴结构的物体表面三维面形测量系统。经实验表明,该系统能够较为快速、准确地测量出被测复杂物体表面的三维面形信息。本文的主要贡献如下: 1.设计了由投影仪、CCD摄像机、图像采集卡和计算机等组成的三维面形测量的硬件系统,利用MATLAB 7.0开发了三维测量的软件系统,并对该系统作了标定。 2.研究了光栅投影相位法的原理,能够准确的求出光条纹的相位主值信息,从而得到物体表面的相位主值。借鉴传统质量图,提出了一种新的质量图——结合边缘检测的导数偏差相关质量图,并对模拟物体和实际复杂物体的传统质量图和改进质量图进行了比较,实验结果表明该质量图能更好地反映数据质量。 3.研究了相位展开算法的原理,并针对相位展开过程中由边缘陡侧、孔洞等引起的相位不连续问题,在研究传统相位展开算法的基础上,提出了一种新型的相位展开算法——基于边缘检测的导数偏差相关质量图的质量导引相位展开算法,并结合基于可靠性排序的相位展开算法对模拟物体和实际复杂物体进行了相位展开,实验结果表明本文采用的基于光栅投影的复杂物体三维面形测量方法能够获得比较满意的结果,证实了算法的可行性和有效性。

关键词：三维面形测量光栅投影系统标定质量图相位展开