基于结构光的三维成像算法研究

论文总字数：17919字

摘 要

三维测量技术分为接触式和非接触式,接触式三维测量技术具有高精度的优势,在工业测量上应用广泛。非接触式光学三维测量技术的出现有非常重大的意义,本文主要针对其中的结构光技术进行研究,深入探讨了结构光三维测量中的相位测量算法,分析三维轮廓的数据,为今后提高准确性提供了可靠的方法选择。本文的主要研究内容是调研三维成像算法以及采用不同的结构光测量方案来实现三维成像,主要完成了以下几个方面的工作：

对相移法进行了研究,最终选择四步相移法作为本文的计算相位的方法。引入了相位展开算法,通过相位展开算法介绍了格雷码法。还应用了一种采用多频相位外差的计算方法,用这种算法实现相位展开。

关键词：三维测量技术；结构光技术；相移法；格雷码；多频外差法

Research on 3D imaging algorithm based on structured light

Abstract

Three-dimensional measurement technology is divided into contact type and non-contact type. Contact type three-dimensional measurement technology has the advantage of high precision and is widely used in industrial measurement. The emergence of non-contact optical 3D measurement technology is of great significance. This article mainly focuses on the research of structured light technology, and discusses the phase measurement algorithm in structured light 3D measurement, analyzes the data of 3D contour, and improves the accuracy in the future. Provide a reliable method choice. The main research content of this paper is to investigate 3D imaging algorithms and adopt different structured light measurement schemes to achieve 3D imaging. The main tasks are as follows:

The phase shift method is studied, and the four-step phase shift method is finally selected as the method of calculating phase in this paper. The phase unwrapping algorithm is introduced, and the Gray code method is introduced through the phase unwrapping algorithm. A calculation method that adopts multi-frequency phase heterodyne is also applied, and this algorithm is used to realize phase unwrapping.

Key words: 3D measurement technology, Structured light technique , Phase shifting,Gray Code, Multi-frequency heterodyne

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3研究目的和意义 3

1.4 论文研究内容 3

第二章 结构光三维测量技术 4

2.1结构光三维测量技术简介 4

2.2 编码结构光技术 4

2.3 三维成像算法简介 6

第三章 基于四步相移法的三维成像算法研究 7

3.1相移法原理 7

3.2四步相移法原理与仿真 7

3.3 解相算法研究 8

第四章 基于格雷码与四步相移法的三维成像算法研究 10

4.1 相位展开算法 10

4.2 格雷码法原理与仿真 11

4.3 格雷码-相移组合编码技术 12

4.4基于格雷码的解相 13

第五章 基于多频外差的三维成像算法研究 15

5.1 多频外差原理 15

5.2 多频外差仿真 16

5.3 基于多频外差的解相 17

第六章 总结与展望 18

6.1 总结 18

6.2 展望 18

致 谢 19

参考文献 20

第一章 绪 论

1.1 研究背景

我们当前所处的世界是一个三维空间,但是日常生活中我们所使用的照相机都能够拍出平面,也就是二维的图像,并不能表现出三维的情况,这很大程度上限制了我们对三维物体的认知以及研究。然而这一状况却在三维测量技术出现以后逐渐得以改善,三维测量技术可以很容易地获得一个物体具体的三维轮廓信息。就比如说这几个领域,像文物数字化保护、土木工程、工业测量、自然灾害调查、数字城市地形可视化、城乡规划等领域^[1,2,3]。也会因为在市场需求上有多样性的原因,在过去几十年中,三维轮廓测量技术在各个方面都取得了非常可观的进步。^[4,5]

本文主要是基于三位结构光三维测量技术和数码图像处理,对三位轮廓测量和三维成像技术进行分析,应用于三维物体的测量与恢复,并简单介绍了结构光三维成像的研究现状、目的和意义。

1.2 国内外研究现状

目前,已经在现实生活中应用的三维轮阔测量技术分为接触式三维轮廓测量和非接触式三维轮廓测量。其中,接触式三位轮廓测量还可以称作机械测量,这种测量的特点是可以直接接触到被测物体表面来获得数据,然而也存在着测量速度慢,探针触头磨损的缺点。因此,出现了一种可以直接利用光学的手段和方法来测量物体在其表面的三维轮廓大小数据的非接触式光学测量技术,像这种方法用来测量话,它的特点就是精度高、测量速度快,在很多领域都能得以应用。^[6]

从八十年代开始,大部分进行三维技术研究的国家在钻研激光三维测量技术,德国就率先开始进行了面结构光三维测量技术实验。1985年,在德国慕尼黑市郊卡尔斯菲尔德的M.A.N.光学测量技术中心最开始使用相移干涉法完成了振动分析。次年,这个实验中心的研究人员博尔科曼教授成功利用PSI技术引入了三维测量,产生了一种全新的相位测量轮廓术。在德国上个世纪的七八十年代,德国最早地初步开始了基于光栅法的投影轮廓测量法的针对物体三维轮廓投影测量分析技术的深入研究。随后的20多年半的时间里,光栅运动投影仪的测量轮廓技术再次经历了从傅里叶变换测量轮廓的技术向三维相位运动测量变换轮廓术的巨大转变。德国公司gom、gfm等多家公司充分运用基于相位轮廓测量的三维轮廓术,先后成功研制设计出了不同设计类型和应用种别的特殊物体三维轮廓相位测量控制系统(具体设计例子所示如下下图1.1、1.2),在我国工业产品质量安全检测、生命科学等各个领域都已经得到了广泛的研究应用,但由于其价格昂贵,国内很难充分普及这种特殊类型的检测设备。日本media公司3dm-fotometrics在本系统简单使用它们就能够轻松地为您实现一种精度测量结果精度远远超过高达测量物体体积大小1/150000以上的全自动三维精度测量,测量所得结果的高精度测量范围远远小于0.10mm,已被广泛地在日本丰田、日产、马自达、佳能等国内多家大型汽车企业中进行研制和推广应用。

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