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多视场三维结构光离焦投影混合编码测量与系统实现

多视场三维结构光离焦投影混合编码测量与系统实现

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作者：胡浩晖广东工业大学

学位级别：硕士

结构光测量技术因具有测量速度快与精度高等优点而被广泛应用于3C电子制造产业中各种复杂微细元器件的检测。但由于传统结构光测量技术中投影仪存在非线性Gamma效应和最高帧率只有120Hz,且相机与投影仪需精确同步等缺点,限制了结构光测... 详细信息

结构光测量技术因具有测量速度快与精度高等优点而被广泛应用于3C电子制造产业中各种复杂微细元器件的检测。但由于传统结构光测量技术中投影仪存在非线性Gamma效应和最高帧率只有120Hz,且相机与投影仪需精确同步等缺点,限制了结构光测量精度和速度。为此,本文深入开展结构光测量技术研究,提出基于离焦投影的混合二值条纹编码解码算法、相机与投影仪高速触发和离焦系统参数标定等相关算法,在保证测量精度下提高三维测量速度;面向大尺度多个视场测量需求,提出点云快速拼接算法,并开发实现三维结构光离焦投影测量系统。本文主要内容概括如下:（1）深入调研目前结构光离焦测量方法和多视场点云拼接算法的国内外研究现状,对现有二值编码方法、相位误差补偿与展开算法、离焦系统参数标定算法和点云快速拼接算法进行对比及总结,明确高速高精度的结构光离焦测量方法与点云快速拼接中存在关键难题;（2）针对结构光离焦测量中高速与高精度矛盾问题,在二值条纹编码研究基础上,提出一种在低频阶段使用SBM条纹和高频阶段使用改进SD条纹的混合二值条纹编码方法,并在频域与相位误差分析基础上建立该混合二值条纹的相位误差数学模型,提出在包裹相位阶段进行误差补偿的相位展开算法,在保证测量精度前提下加快投影二值条纹速度,实现高速高精度的结构光离焦测量。（3）针对普通商用投影仪存在非线性Gamma效应和投影帧率低等缺点,提出利用可编程投影仪代替普通商用投影仪,研究可编程投影仪高速触发模式,设计以相机同步触发可编程投影仪方式来实现高速投影;针对离焦测量系统标定难及精度差双重问题,确定基于可编程投影仪离焦方式来分析相机成像模型和可编程投影仪的离焦成像原理,提出采用张正友标定法和基于带有误差补偿的混合二值条纹实现相位映射来对相机和可编程投影仪进行高精度标定。（4）针对多视场三维点云拼接效率低、拼接精度差等难题,提出基于精密运动平台的多视场点云快速拼接方法;先通过基于统计学滤波法去除离群点和基于体素格滤波法对点云进行降采样,实现点云预处理以避免影响拼接精度;针对基于精密运动平台的点云拼接存在错位问题,提出基于两坐标系投影角实现精密运动平台与测量平台标定,通过角度补偿实现高精度点云快速拼接。（5）基于上述研究方法和理论知识,结合C++编程语言、Open CV图像处理库和PCL点云处理库等工具包实现各项算法功能模块,并基于Qt图形界面应用程序开发一套可实现点云快速拼接、高速高精度的多视场结构光离焦测量系统。通过测量若干实物来验证本文所提方法和系统功能的可行性和有效性,同时利用凹槽标准块测出离焦测量系统的测量速度与精度。

关键词：离焦测量混合二值条纹可编程投影仪离焦标定点云拼接

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