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基于光栅投影的手持式无标志点三维扫描技术研究

基于光栅投影的手持式无标志点三维扫描技术研究

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作者：李江龙哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

三维扫描技术是涉及到光、机、电、计算机等多方面知识的一种技术,能够对物体快速数字化三维建模,在逆向工程、数字化制造、虚拟现实、产品检测以及文物保护等众多方面被广泛应用。其中,光栅投影三维扫描技术以其精度高速度快的优点越... 详细信息

三维扫描技术是涉及到光、机、电、计算机等多方面知识的一种技术,能够对物体快速数字化三维建模,在逆向工程、数字化制造、虚拟现实、产品检测以及文物保护等众多方面被广泛应用。其中,光栅投影三维扫描技术以其精度高速度快的优点越来越受重视。目前市场占有率较高的多为北美和欧洲的产品,这些三维扫描设备价格昂贵,对于中小型企业而言使用成本较高。因此,本文基于相移法解相位原理、多频外差解相位包裹原理、相位误差校正、摄像机参数标定和投影仪相位-高度标定,以及尺度空间关键点检测技术,力图开发一套成本低、速度快、体积小巧使用方便的手持式三维扫描设备。整个论文的研究内容如下:研究了基于圆环阵列平面靶标的摄像机标定技术。针对张正友黑白格棋盘靶标角点处存在灰度突变无法用于相位-高度标定的缺点,设计了由4个大圆和51个小圆组成的圆环阵列靶标。提出了有效去除背景干扰和提取靶标区域的椭圆识别算法,并对相机标定进行了实验验证。使后续投影仪相位-高度标定和相机标定能够用同一组照片衔接起来。研究了投影仪相位-高度标定算法及相位校正算法。结合相机标定得到的相机参数,利用双线性插值算法精确提取标志点处相位值,并用于投影仪相位-高度标定实验,为三维点云求解奠定了基础。以三步相移解相位原理和双频外差解包裹原理为基础完成了投影仪解相位算法设计。分析了投影相位误差的原因,提出一种全域相位校正算法,大幅提升了短距、广角投影仪的相位精度。研究了单片点云的求解原理及尺度空间中搜索被测物本身特征信息关键点的算法。以相机和投影仪标定结果为基础,计算了三维点云。将尺度空间关键点应用到单片三维点云拼接中,省去人工标志点。对比了不同的解法对点云拼接的不同效果。最终实验验证了尺度空间中关键点用于点云拼接的可行性。研究了以系统标定及点云求解和拼接原理为基础的手持式三维扫描硬件实验平台。以89C52单片机最小系统为下位机,通过与上位机之间的通信,控制CCD相机和DLP投影仪协调工作,实现拍照、投影、照片存储的同步。设计了上位机软件,用于交互操作和一些重要参数的设置。设计了系统标定工具箱,不仅能够快速实现系统标定和三维点云求解,而且具有图像处理功能。

关键词：三维扫描摄像机标定相位-高度标定相位校正点云拼接

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指纹的三维尺寸测量研究

指纹的三维尺寸测量研究

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作者：方岩辽宁师范大学

学位级别：硕士

使用光栅条纹移相投影技术,测量了人体指纹的高度分布,获得了指纹的三维信息。在条纹投影三维形貌测量技术中,用于条纹投影以及图像采集的成像系统都会引入非线性相位畸变。为了避免这种非线性位相畸变引入的系统误差,我们提出了通过一... 详细信息

使用光栅条纹移相投影技术,测量了人体指纹的高度分布,获得了指纹的三维信息。在条纹投影三维形貌测量技术中,用于条纹投影以及图像采集的成像系统都会引入非线性相位畸变。为了避免这种非线性位相畸变引入的系统误差,我们提出了通过一系列步进标准平面的方法,获得各个位置的平面上相应的相位分布,通过平板不同部位的相位分布信息与平板移动距离的对应关系,建立了测量系统的相位-高度变换关系,完成了人体指纹三维位相分布到高度分布的转换,这一标定技术能够在指纹的不同区域获得不同的相位-高度标定系数,避免了传统标定方法中使用单一相位-高度变换系数引入的系统误差。研究工作如下:1.建立了人体指纹的三维尺度测量系统。在光栅条纹移相投影系统中,在指纹采集位置附近放置一个标准平面,通过纵向移动这个平面在一系列位置获得平面上各部位的相位分布,从而建立起相应的相位-高度关系,这种相位-高度转换技术可以避免投影条纹非线性畸变引起的系统误差。2.完成了人体指纹三维尺度测量中相应的计算机程序的编写工作。通过数字图像技术制作了四步移相技术所需的正弦光栅图像,条纹图像的相位依次为0,Π∶2，Π，3Π∶2，该程序可以调节制作光栅的亮度和对比度,以便满足实验需要;对四步移相技术获得的条纹包裹相位,使用洪水填充算法进行了相位展开,得到了以相位为单位的指纹三维形貌图。3.利用已完成相位-高度标定的三维尺度测量系统对人体指纹进行了三维高度测量。对人体指纹测量结果进行分析表明,这一技术能够实现0.01毫米尺度的高度测量工作,可以对更广泛领域的精细物体进行测量。

关键词：指纹三维尺寸测量四步移相相位解包裹洪水填充法相位-高度标定

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