相位编码结构光三维测量技术研究

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结构光三维成像技术动态测量中相位提取方法研究

摘要：随着科技的发展，结构光三维成像技术在工业制造、医学与生物学等领域中已得到广泛应用。其中，相位提取是结构光三维成像中至关重要的一个过程。本文主要研究了结构光三维成像技术动态测量中的相位提取方法。

1. 引言

结构光三维成像技术是一种通过发射特定结构的光源，利用光的散射和反射原理进行物体表面形貌测量的方法。该技术具有非接触、高速、高精度等特点，被广泛应用于三维形貌测量、表面缺陷检测等领域。而在结构光三维成像技术中，相位提取是一个至关重要的步骤。相位提取的好坏直接影响到三维成像的精度和可靠性。

2. 相位提取方法

2.1 基于频率域的相位提取方法

基于频率域的相位提取方法是一种常用且有效的方法，它基于傅里叶变换原理通过频域分析来获取相位信息。典型的方法有快速傅里叶变换法（FFT）、Hilbert变换法等，它们可以从

干涉图像中提取出相位信息。虽然这些方法能够提取出相位信息，但是在动态测量中往往因为算法复杂度高、计算速度慢等问题而不适用。

2.2 基于时域的相位提取方法

基于时域的相位提取方法是一种近年来较为常用的方法。该方法主要利用结构光在物体表面的反射过程中，相位的连续性来提取相位信息。常见的方法有相移法、三步相移法等。这些方法通过在不同时间点上记录下一系列图像，再通过图像处理和

算法来获取相位信息。这种方法相对于频率域方法来说计算速度更快，适用于动态测量。

3. 相位提取方法的研究进展

随着科技的不断发展，相位提取方法的研究也取得了很大进展。在基于时域的相位提取方法中，有学者提出了双频混合法、时序二次提取法等方法，能够更准确地提取出相位信息。在基于频率域的相位提取方法中，有学者提出了快速傅里叶变换的优化算法，能够提高计算速度。此外，还有研究者提出了综合使用时域和频率域方法的相位提取算法，进一步提高了相位提取的准确性和速度。

编码结构光三维测量算法研究

一
、
ｌ弓Ｉ言。根据彩色梯形相移法原理，设彩色梯形相移法【２】是集上述两种方法无法满足解相条件的，所以本文采用了三即测量速度快而且测量纵向清晰幅编码周期互质Ｉ向投影图案，得到三幅周计结构光三维测量系统，并具体分析系统的优点，的组成及原理，同时建立系统的数学模度高，且测量过程中没有用到反正切计期互质的强度比曲线用以解得绝对强度实现了测量的连续性，计算量小，能够比。表示像素列数，ｒ朋，（，、ｒｙ）、型。采用适用于本系统的摄像机标定方法算，具有很强的使（，）分别表示三幅图像的强度比和投影仪标定方法，为系统后续的研究奠满足实时陕速测量的要求，用价值【３】。值，、、分别表示三幅周期互质定基础。２三编码周期彩色梯形相移三维测量编码图案的编码周期，为该行任意一２三维测量系统的组成与原理。基于法。彩色梯形相移法由于在一幅编码图案点像素列数。通过上述已知条件，本文通彩色梯形相移法的结构光三维测量系统对灰度级利用多，因此过中国余数定理来求得的绝对强度的主要组成部分分别为彩色３ ① Ｄ摄像中只有一个梯形，误差大，抗干扰能力低。所以本文采用三比。机、投影机以及计算机，如图ｌ所示。编码周期彩色梯形相移法，三编码周期是３本章研究了彩色梯形相移法的编解被瞬勿体指三幅周期不同的梯形桕移编码图案，将码原理，针对彩色梯形相移法对灰度级利彩色梯形相移法中一幅编码图案的一个用多、误差大、抗干扰能力低的缺点，采用梯形相移扩展为三幅周期互质的多个梯了三编码周期彩色梯形相移三维测量方形相移编码图案，在每个周期重复采用彩法，将彩色梯形相移法中一幅编码图案的色梯形相移法，显著地提高了抗干扰能个梯形相移扩展为三幅周期互质的多

基于相移法的结构光三维测量技术

1. 引言

结构光三维测量技术是一种非接触、高精度的测量方法，广泛应用于工程、制造、医学等领域。其中，基于相移法的结构光三维测量技术以其高精度、高速度的特点备受关注。本文将介绍基于相移法的结构光三维测量技术的原理、应用以及发展趋势。

2. 原理

基于相移法的结构光三维测量技术利用光的干涉原理和相移算法，通过投射不同相位的光条纹，再通过相位差的测量来得到被测物体的三维形状信息。其原理可以简单描述如下：

将光源发出的光通过投影装置投射到被测物体表面。投影装置可以是激光器、LED阵列或数字投影仪等。

通过改变投影光的相位，例如通过改变光的频率或改变投影光的光程差，可以得到不同相位的光条纹。这些光条纹会在被测物体表面产生干涉，形成一系列亮暗交替的条纹图案。

然后，通过相机或其他光学传感器来捕捉被测物体表面的条纹图案。相机可以是CCD、CMOS等。

利用相移算法对捕捉到的条纹图案进行分析处理，从而得到被测物体的三维形状信息。相移算法可以通过计算条纹图案的相位差来确

定物体表面每个点的高度或深度。

3. 应用

基于相移法的结构光三维测量技术在许多领域都有广泛的应用。以下是其中几个典型的应用示例：

3.1 工业制造

在工业制造领域，基于相移法的结构光三维测量技术可以用于产品尺寸和形状的测量、表面缺陷的检测以及零件的配准。例如，在汽车制造中，可以利用该技术对汽车外壳进行检测和测量，以保证汽车的质量和安全性。

3.2 医学领域

在医学领域，基于相移法的结构光三维测量技术可以应用于牙齿、骨骼和皮肤等组织的形状和变形测量。例如，在牙科领域，可以利用该技术对牙齿进行三维形状的测量，以便制作适合的牙套和牙冠。

三维变形测量精度的方法

三维变形测量精度的方法包括以下几种：

1. 结构光三维扫描：利用结构光原理，通过投影光线在物体表面形成的图案来测量物体的三维形状和变形。该方法的精度取决于投影光线的分辨率和相机的分辨率。

2. 相位测量法：通过将物体表面的相位信息转化为高度信息来测量三维形状和变形。相位测量法可以使用光栅投影、运动相机等不同的技术实现，精度受到相机分辨率和测量系统稳定性的影响。

3. 视频测量法：利用多个相机同时拍摄物体表面的图像，并通过图像处理技术来测量物体的三维形状和变形。视频测量法的精度取决于相机的分辨率和图像处理算法的准确性。

4. 激光雷达扫描：利用激光雷达测量物体表面的距离信息，并通过多次扫描来获取物体的三维形状和变形。激光雷达扫描具有较高的精度和测量速度，但设备成本较高。

5. X射线测量：利用X射线技术来测量物体的三维形状和变形，在医疗和工程学领域得到广泛应用。X射线测量具有较高的精度，但对设备和辐射防护要求较高。

这些方法可以单独或混合应用，根据具体应用需求选择合适的方法。在实际测量中，还需要考虑到测量环境、标定校准等因素对测量精度的影响。

面结构光三维测量的原理

面结构光三维测量是一种常用的非接触式三维测量方法，可以通过投射结构光对被测物体进行三维重建。其原理基于三角测量原理和结构光原理。

首先，我们来看三角测量原理。三角测量是利用三角形的几何关系来测量物体的位置、距离和形状的方法。在面结构光三维测量中，主要使用的是空间三角测量，即通过计算被测物体表面上的某一点在相机和投影仪之间形成的三角形，从而求解出该点在空间中的坐标。

其次，结构光原理也是面结构光三维测量的基础。结构光是指将光源发出的光束经过特殊处理（例如透镜、投影仪等），在被测物体表面上形成一定的光模式。这个光模式可以是条纹、点阵等。当这些光模式照射到被测物体表面上时，会发生光的反射、散射和折射等现象，形成一系列特定的影像。通过对这些影像进行分析处理，就可以得到被测物体表面上各点的三维坐标信息。

基于以上两个原理，面结构光三维测量通常可以分为三个步骤：投影、成像和三维重建。

在投影阶段，投影仪将事先计算好的结构光模式投射在被测物体表面上。这些结构光模式可以是一组条纹、点阵或者其他形式的光模式。在投影过程中，需要注意光源、投影仪和被测物体之间的相对位置关系，以及选用适当的光源和投影仪。

在成像阶段，使用相机对投影在被测物体表面上的结构光进行拍摄。相机接收到被测物体上反射、散射或折射的结构光，将其转换为数字图像。

在三维重建阶段，通过对拍摄到的图像进行处理，可以恢复出被测物体表面上各点的三维坐标信息。常用的处理方法包括相位偏移法和立体匹配法。

相位偏移法是利用结构光模式的相位信息来计算物体表面上各点的三维坐标。结构光模式的相位信息可以通过对连续几幅图像进行相位移动来获取。通过分析这些图像的亮度变化和相位变化，可以计算出物体表面上各点的三维坐标。

部分编码结构光三维测量技术的研究

ｒｄｃｓｈｕｅｆｒｅｔｄａｄｃｐｕｅｇｓｕｓｎａｃｓｈｌｂｌｙｏａｅｎａｐｎ．ｉｔｓｖｒｌｅｕｅｅｍｂｒｏｃｎａｔｄｉｅｔｌｅｈｎｅｅｒｉｉｔｆｈｓｗｒｐｉｇＦｒ，ｅｅａｔｎｏｐｊｅｒｍａｂａｏｔｅａｉｐｕｓａｊｃｎｒｅｅｉｅｒｔｄｂａｉｏｉｇｔｃｎｑｅｏｒｄｃｅｅｓｆｔｐｓａｄｔｅｃｎｅｔｎｌｈｓｄａｅｔｔｐｓｒｔｇａｅｙｐｒａｃｄｈｉｕｕｅｈｎｉｏｒｅ，ｎｎａｏｖｎｉａｐａｅｓｉａｎｔｌｎｅｔｅｔｄｔｓｉｙｈｏ
机同步采集，然后对这一组条纹图像进行解码，即可直接得到整个条纹图像的绝对相位分布。这种方法由
于是对所有的条纹进行编码，因此所需投影的编码图像数量最多，测量速度较低。本文提出了一种部分编码结构光的方法，编码结构光投影图案如图１所示。编码结构光是具有不同节
ｕｗｒｐｉｇａｇｒｍｓａｐｉｄｔｂａｎｔｅａｓｌｔｈｓｆｔｅｅｔｅｉｇｔｎｅｒｔｄｓｉｅ．ｐｒｍｅｔｌｎａｐｎｌｏｉｈｔｉｐｌｏｏｔｉｂｏｕｅｐａｅｏｎｉｍａｅｗｉｉｔｇａｅｔｐｓＥｘｅｉｎａｅｈｈｒｈｒ

结构光三维测量

结构光三维测量是一种常用的三维视觉测量方法，通过投射光栅或编码图案到被测物体上，利用相机捕捉物体上的图案形变，进而计算出物体的三维形状和尺寸。本文将从原理、应用和发展趋势三个方面来介绍结构光三维测量技术。

一、原理

结构光三维测量的原理基于三角测量原理和光学投影原理。在测量过程中，通过投射光栅或编码图案到被测物体上，形成了一系列光栅或编码的图案。被测物体表面的几何形状会导致光栅或编码图案的形变，相机捕捉到这些图案后，利用图像处理和计算机视觉算法，可以计算出物体表面的三维坐标信息。

二、应用

结构光三维测量技术在许多领域中得到了广泛的应用。首先是工业制造领域，可以用于产品的质量检测、尺寸测量和形状分析等。其次，结构光三维测量技术在文化遗产保护和数字化建模方面也有重要应用，可以实现对古建筑、雕塑等文物的三维重建和保护。此外，该技术还可以应用于生物医学领域，如医疗影像重建、牙科扫描等。

三、发展趋势

随着科技的不断进步，结构光三维测量技术也在不断发展。首先是测量精度的提高，通过改进算法和传感器技术，可以实现更高精度

的测量。其次是测量速度的提升，可以实现实时快速的三维测量，适用于大规模生产线上的应用。此外，结构光三维测量技术还与其他技术相结合，如深度学习、虚拟现实等，实现更广泛的应用。

结构光三维测量是一种重要的三维视觉测量技术，具有广泛的应用前景。通过投射光栅或编码图案，结合图像处理和计算机视觉算法，可以实现对物体表面的三维形状和尺寸的测量。随着技术的不断发展，结构光三维测量技术在各个领域中将会有更广泛的应用。

基于编码结构光的三维测量技术研究

结构光三维测量技术作为一种非接触、主动式的三维测量方法,具有无损、高效、成本低、可靠性高等优势,被广泛应用在文物重建、医学影像、工业测量、模具制造等领域。其中时间编码结构光法无需进行扫描,具有较高的测量效率,成为当前该领域的研究热点。

在三维测量技术中,编码图案的设计成为改进三维测量技术的主要突破点。对此,本文主要通过对编码图案的设计来提高三维测量的测量速度及测量准确度,主要研究内容如下:(1)对三维测量系统的数学模型进行了分析研究,实现系统标定。

采用张正友标定法对摄像机进行标定;将投影仪视为逆向相机,首先求取投影点的射线方程以及平面方程,采用线面相交法求出投影点的空间三维坐标,然后采用与相机标定相同的方法完成投影仪标定。通过对所提取角点进行重投影的方法来降低标定误差,所得标定结果满足测量精度需求。

(2)研究了二灰度级格雷码编解码方法和灰度二值化方法,在此基础上实现了多灰度级格雷码的编解码过程及图像灰度多值化处理。分析了多灰度级格雷码的优缺点。

对三维测量常用的正弦相移编码法进行了分析,为了解决正弦相移解码过程的复杂性,研究了应用简单线性运算解码的梯形相移强度比法。(3)针对传统的二进制格雷码结合正弦相移的编码方法投射图案多,解码复杂度高的问题,本文提出了多灰度级格雷码结合灰度梯形相移的编码方法。

该方法将格雷码投射的编码图案减少到一半,且解码方法更加简单,大大加快了测量速度。本文首先采用四灰度级格雷码与三步梯形相移对称式组合编码方

法进行三维测量,对解码中出现的周期错位现象进行了修正,分析了原理误差。

3d结构光技术原理

3D结构光技术原理

引言

3D结构光技术是一种常用于三维物体扫描和建模的技术。它通过投射光线并观察物体表面的反射光线，从而获取物体表面的深度信息。本文将介绍3D结构光技术的原理和应用。

一、原理概述

3D结构光技术基于三角测量原理，利用光线在物体表面反射的特性来计算物体表面上各点的深度信息。其原理可以简单描述为以下几个步骤：

1. 光源投射：使用一种特殊的光源，如投影仪或激光器，将光线投射到待测物体上。

2. 光线反射：物体表面对光线的反射会形成一个或多个光斑，这些光斑会在物体表面形成明暗交替的图案。

3. 图案捕获：使用一个或多个相机来捕获物体表面上的图案信息。相机通常会拍摄多张图像，以便后续处理。

4. 图像处理：通过对多张图像进行处理，可以推断出物体表面每个点的深度信息。

5. 三维重建：根据物体表面的深度信息，可以生成物体的三维模型。

二、光源投射

在3D结构光技术中，常用的光源有两种类型：投影仪和激光器。投影仪适用于较大的扫描范围，而激光器则适用于高精度的扫描。

投影仪投射的光线通常是一种特殊的编码图案，如条纹、格点或随机点云。这些编码图案可以提供更多的信息，从而提高深度信息的精度和可靠性。

激光器则可以产生一束高度聚焦的激光光束，通过逐点扫描物体表面来获取深度信息。激光器的扫描速度较快，可以实现高频率的数据采集。

三、光线反射

物体表面对光线的反射会形成明暗交替的图案。这是因为物体表面的几何形状和材质会对光线的反射产生影响。凹陷的区域会更暗，而凸起的区域会更亮。

通过观察反射图案的形态和变化，可以推断出物体表面每个点的深度信息。例如，当光线投射在凹陷的区域时，光斑会变宽且暗度增加；而在凸起的区域，光斑则会变窄且亮度增加。

结构光三维成像技术

结构光三维成像技术是一种通过使用投射光模式来测量目标物体表面

形状和纹理的技术。它是一种非接触式的三维成像技术，广泛应用于机器人、计算机视觉、虚拟现实、医疗等领域。这种技术基于投射特殊编码的

光斑或图案到目标表面上，并利用相机或传感器来捕捉光斑的形变或位移，从而计算出目标物体的三维形状。

1.光源投射：首先，一个结构光投影系统使用光源产生一种特殊的光

模式，如光斑或编码图案。这个光模式会在目标物体上投射一个特定的模式。

2.光斑形变：目标物体表面的形状和纹理会导致光斑在目标表面上发

生形变或位移。光斑的形变可以在目标物体表面上生成一系列有用的信息。

3.形变采集：使用相机或传感器来捕捉光斑在目标物体表面上的位置

变化。这个步骤通常涉及对相机或传感器进行准确、高速度的数据采集。

4.数据处理：采集到的数据将经过一系列的处理步骤，包括光斑匹配、三角测量和表面重建。这些步骤将根据光斑的变化计算出目标物体的三维

形状。

结构光三维成像技术有许多优势。首先，它可以提供高精度和高分辨

率的三维表面测量。它可以测量复杂物体的形状、尺寸和纹理，包括不规

则形状、弯曲表面和透明物体。其次，它是一种非接触式的测量技术，可

以在没有物理接触的情况下进行测量，减少了对目标物体的破坏。此外，

结构光三维成像技术还具有实时性和高速度的特点，可以快速捕获和处理

大量的数据。

然而，结构光三维成像技术也存在一些挑战和限制。例如，它对目标物体和环境的光线条件非常敏感。光线的强度、方向和环境的照明条件都可能影响测量结果的准确性。此外，目标物体的反射率和表面特性也可能对测量结果产生影响。需要注意的是，在光斑形变的过程中，一些情况下会发生光斑遮挡或重叠，导致数据处理中的错误。

结构光三维视觉检测关键技术研究

应用场景分析
结构光三维视觉检测技术在许多领域都有广泛的应用，下面我们将分别进行分析：
1、工业生产：在工业生产中，结构光三维视觉检测技术可以用于实现高精度的三维测量和检测，包括对产品尺寸、形状、纹理等信息的测量和检测，从而提高生产效率和产品质量。
2、医学诊断：在医学诊断中，结构光三维视觉检测技术可以用于进行高精度的医学影像分析和处理，例如通过对医学影像进行三维重ຫໍສະໝຸດ Baidu和分析，帮助医生更准确地诊断病情和治疗方案。
同时，一些国际知名学术期刊和会议如IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence、CVPR等也发表了大量关于结构光三维视觉检测技术的相关论文，进一步推动了该领域的发展。
创新点和展望
结构光三维视觉检测技术在一些方面具有创新性。首先，它通过捕捉物体的表面光线信息，实现了对物体表面的高精度测量和成像；其次，它结合了图像处理、机器学习等多种技术手段，提高了检测的精度和效率；最后，它的应用范围广泛，可以应用于工业生产、医学诊断、安全监控、虚拟现实等多个领域。
4、智能化的检测技术：随着人工智能技术的不断发展，未来的结构光三维视觉检测技术可能需要更加智能化。例如，可以通过深度学习和强化学习等技术手段实现对检测过程的自我优化和自我适应，提高检测的精度和效率。

3D测量的原理以及精度

3D测量是一种用于确定物体或对象在三维空间中位置、形状和尺寸的技术。它利用不同的原理和方法来收集3D数据，常用的原理包括：三角测量、相位测量、结构光技术和时间飞行技术等。

三角测量是最基本的测量方法之一，它利用几何关系和三角函数，通过测量物体上多个点的位置和角度来计算物体的三维坐标。相位测量是利用光的干涉原理，测量物体表面的细微振动或变化，从而推断出物体表面的三维形状信息。

结构光技术则通过投射光栅或条纹等特殊图案到物体上，通过相机或传感器测量物体表面的形变，进而重建物体的三维形状。时间飞行技术则是利用激光向物体表面发射脉冲光，并测量光脉冲返回所需的时间，通过计算来确定物体的三维坐标。

精度是衡量测量结果准确性的重要参数。它通常受到多种因素影响，如测量设备的分辨率、测量对象的表面特性、测量环境的稳定性等。一般来说，3D测量的精度可以达到几毫米到几微米的范围。精确度通常和测量范围成反比，即测量范围越大，精度越低。

为了提高精度，可以采取一些方法，如增加测量点的数量、使用高分辨率的传感器或相机、使用更高精度的测量设备等。此外，还可以通过数据处理和校准等技

术手段来提高测量的精度和准确性。

基于编码结构光的三维测量技术及其仿真研究(论文答辩)共24页

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投影仪光源中心线与摄像机镜头光轴均在XOY面上。
摄像机坐标系
M、H分别即为摄像机获得图片的长、宽的一半，m、h为被测物表面上一点P在图片中的位置。
系统数学模型
x tan y
x tan
B y
由上面式子得到：
z MP'
tan
y Btan tan tan
xytanBtan tan tatann
生成的格雷码条纹图案
第一到第七幅格雷码条纹图案：
基于格雷码编码的三维测量系统设计
测量系统主要由投影仪、摄像机、被测物体和计算机组成。
系统原理图
M是摄像机镜头中心，O是投影仪光源中心， OM=B。
系统在XOY面上的投影
图中阴影部分为可测区域。 X：250~600mm Y：90~460mm Z：-150~150mm B=550mm
三维重构程序流程图
平面测量仿真
仿真的被测平面
平面格雷码投射条纹图
ຫໍສະໝຸດ Baidu
重构的平面
平面的测量误差图
平面重构误差分析
球面测量仿真
全亮的强度图像
重构的部分球面
球心坐标(500.000,-250.000,0) 半径为120mm 。误差点最大：1.875，最小：-3.489，
方差：1.610，最大的相对误差为：0.70% 。