基于编码结构光的三维测量技术及其仿真研究(论文答辩)
相位编码结构光三维测量技术研究
相位编码结构光三维测量技术研究结构光(SL)技术由于其非接触,高分辨率,高速度和全场自动化的优点而被广泛开发用于三维(3D)测量。
条纹投影轮廓术(FPP)是三维测量中应用最广泛的结构光技术之一,例如逆向工程、工业检测、制造和机器人导航。
FPP系统将条纹图投影到被测物体上,并记录被物体调制后的变形条纹图,然后利用特定的条纹分析方法,使用处理/分析系统从记录的图像中计算出调制相位。
提取相位的准确性直接影响被测物体的三维重建结果。
本论文旨在提高基于相位编码结构光的三维测量系统的性能,力图为条纹投影轮廓术拓宽实用范围奠定理论基础。
针对投影仪非线性Gamma标定和矫正、分段量化相位编码方法和基于N步相移的三维测量方法等关键问题进行如下研究工作:1、研究了传统相位编码方法及其一系列改进方法。
码字在基于相位编码的相位解包裹方法中具有重要意义,每个相位编码条纹用一个唯一的码字标记,然后用于确定条纹级次。
然而,传统的相位编码方法相邻码字之间的差值为1,相邻码字之间的差值过小。
由于系统的非线性效应和离焦影响,在高频条纹情况下条纹级次的计算容易产生误差,从而导致相位展开误差。
传统相位编码方法受到码字数量的限制,导致条纹数量不能过大,影响其测量精度。
2、数字条纹的正弦性是影响测量精度的一个主要因素。
在数字投影相移法中,相位误差主要来源于条纹图像的非正弦性,而条纹图像的非正弦性是由于商用投影仪的非线性Gamma效应产生的结果。
为此,本文在研究对比分析了各种方法的基础上,采用七阶多项式对投影和成像系统进行建模,确定投影仪非线性Gamma的反函数。
并以此生成待投影的预矫正正弦条纹,最终成像系统可以捕获理想正弦条纹。
3、为了使相位编码方法的条纹级次计算更准确,同时也为了提高其测量精度,本文提出了一种基于分段量化相位编码的三维测量方法,在不减小相邻量化相位值之间的差异或提高量化等级的情况下实现绝对相位恢复。
量化相位由特定的编码序列S“135246”进行调制,然后将其嵌入到相位编码条纹图中,这大大提高了解码的精度。
基于结构光的三维形貌视觉测量方法研究
基于结构光的三维形貌视觉测量方法研究基于结构光的三维形貌视觉测量方法是一种非接触的三维测量方法。
其基本测量原理是采用计算机生成一定的结构光图案,用投影仪投射到被测物体表面,物体将对投射的结构光图案产生相位调制,表现为具有一定程度变形的结构光图案。
单目系统中利用相移法、傅里叶变换法解调出包裹相位,并进行相位展开,根据系统模型中的相位-高度关系式得到物体的三维坐标。
双目系统中,使用格雷码编码结构光图案,完成双目系统的立体匹配,再根据三角法求解得到物体的三维坐标。
本文以结构光为基础,主要研究了单目系统和双目系统相关的三维重建方法,并将重建方法应用到实际物体的测量,主要内容如下:(1)研究了单目系统中的三维重建的方法,指出单目系统三维测量的关键步骤:系统标定和相位展开。
在相机-投影仪系统中,建立严格的数学模型并求解相关的参数,以较高精度实现了单目系统三维形貌的恢复。
在相位展开方面,采用改进算法能够准确的求解相位主值和进行相位展开,提高了三维形貌恢复的速度和精度。
(2)研究了双目系统中三维重建的方法,针对传统的立体匹配方法匹配点数不多的问题,本文采用了格雷码编码结构光图案的方法,使得投影出的结构光图案中每个像素点都拥有唯一码值与其对应,明显提高了双目立体匹配的精度以及点数稠密度。
在三维计算方面,采用基于公垂线的解法合理处理理论与实际的误差,取得很好的效果。
(3)在单目系统中摄像机-投影仪系统的标定与在双目系统中相机的标定决定了三维测量的精度。
本文采用Bouguet的摄像机标定工具箱,实现了对摄像机较高精度的标定。
经过研究,指出投影仪可以看作是逆向的摄像机,采用基于平面的标定方法可以实现对投影仪的较高精度标定。
(4)针对静态目标的高精度测量问题,本文搭建了双目结构光的三维形貌测量系统。
采用python-opencv进行编码,利用格雷码编码的方法对静态目标投影42幅编码图案进行重建,建立了一套完整的双目编码结构光的测量系统,静态物体测量精度达到0.2mm,并完成软件实现。
基于编码结构光的视觉三维测量系统软件设计的开题报告
基于编码结构光的视觉三维测量系统软件设计的开题报告一、任务背景随着计算机图像处理和三维测量技术的不断发展，视觉三维测量技术已经成为了工业制造、航空航天、医疗等多个领域不可或缺的技术手段之一。
其中，基于编码结构光的视觉三维测量技术以其高效、快速、精度高的特点在工业制造、品质检测、生物医学等领域得到广泛应用。
编码结构光视觉三维测量技术是一种将编码的光源投射到物体表面，通过相机获取被投影物体表面的图像，通过图像处理技术进行解码，最终得到物体表面的三维几何形状信息的一种技术。
其中，编码光源就是实现这种技术的关键部件。
编码结构光视觉三维测量系统的具体实现通常包括三部分：编码光源、相机和数据处理软件。
然而，在实际应用中，由于视觉三维测量系统软件的功能和性能直接影响系统的稳定性和测量精度，因此，如何设计和实现一个高效、稳定、易用性的视觉三维测量系统软件是一个非常重要的问题。
二、任务目标本次任务的主要目标是设计并实现基于编码结构光的视觉三维测量系统软件，具体来说，主要包括以下几个方面：1. 实现编码光源和相机的驱动与控制，确保光源和相机的相互配合，获取高质量的视觉数据。
2. 实现图像处理算法，包括投影与解码算法、相位计算算法、配准算法、三维重建算法等，保证测量结果准确。
3. 实现人机交互界面，包括系统配置、图像显示、数据存储、结果展示等功能，使得用户可以方便地操作系统和获取测量结果。
4. 针对不同的测量需求，设计系统的扩展接口，方便用户进行二次开发和集成。
三、任务内容本次任务的主要内容包括：1. 系统分析和设计：通过对视觉三维测量系统的功能和性能要求进行分析和研究，确定系统的整体结构和功能模块，并进行详细的设计和文档编写。
2. 硬件开发和调试：包括编码光源和相机的选择、驱动程序的编写、硬件的搭建和调试等工作。
3. 软件编程与实现：根据系统需求，逐步实现系统的各个功能模块，并进行细节调试和优化。
4. 测试和验收：进行系统的功能测试和性能测试，并对系统的鲁棒性和精度进行评估和验证。
基于编码结构光的大型曲面三维测量
０ 引 言
随着计算 机技 术 和计 算 机 图形 学 的快 速 发 展 ， 基 于结 构光 的三维 测 量 已经成 为 目前三 维测量 的 主 要趋 势 ， 是 目前 三 维 测 量 学 术 领 域 的研 究 热 点 。 也 结构 光法 分为 点结 构光 、 结构 和编码 结构 光法 ， 线 点 结构 光和线 结 构光 都 具 有 较 高 的测 量 准 确 度 ， 由于 测量 时需要 扫描 ， 以获取数 据 的效率 比较 低 ， 所 而且 硬件也 复杂 。 由于要 对 多 幅 图像 进 行 处 理 ， 数据 量 大， 处理 时 间长 。编码 结 构光 恰好 克服 了点 、 结构 线
（ 哈尔滨理工大学 测控技术 与通信工程学 院 ，哈尔滨 １０ ４） ５００
摘
要 ：介 绍 了采 用 结构 光彩 色编码技 术 实现 大型 曲 面测 量 的 一种 新 方 法。将 由 Ｒ Ｂ三原 色及 Ｇ
其补 色组成 的彩 色条 纹进 行 组 合 ，生 成 编码 图案 ，并 由投 影 仪 投 射 到被 测 物体 上 。通 过 对摄 像
基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究
基于数字光栅投影的结构光三维测量技术与系统研究一、本文概述随着计算机视觉和光电技术的快速发展，三维测量技术在许多领域，如工业制造、生物医学、文化遗产保护以及虚拟现实等，都展现出了巨大的应用潜力。
其中，基于数字光栅投影的结构光三维测量技术以其高精度、高效率、非接触性等优点，成为了研究的热点。
本文旨在深入探讨这种技术的原理、系统构成以及在实际应用中的优势和挑战，以期为相关领域的科研和工程实践提供理论支持和实践指导。
本文将详细介绍基于数字光栅投影的结构光三维测量技术的基本原理，包括数字光栅投影的原理、结构光的生成与编码、以及相机与投影仪的标定等。
文章将构建一个完整的结构光三维测量系统，包括硬件选择和配置、软件系统设计和实现等，并对系统的性能进行评估。
本文还将探讨该技术在不同应用场景下的适用性和限制，如动态物体的测量、复杂表面的处理等。
本文将总结基于数字光栅投影的结构光三维测量技术的发展趋势和前景，分析当前存在的技术瓶颈和挑战，并提出相应的解决方案。
通过本文的研究，期望能为结构光三维测量技术的进一步发展和应用提供有益的参考和启示。
二、结构光三维测量技术基础结构光三维测量技术是一种非接触式的三维重建方法，它利用结构光编码和解码的原理，通过对物体表面投射特定的光栅条纹，结合摄像机获取的图像信息，实现物体表面的三维形态重建。
结构光三维测量技术以其高精度、高效率、易操作等优点，在机器视觉、逆向工程、质量检测等领域得到了广泛的应用。
结构光三维测量技术的基本原理是将特定的光栅条纹投影到物体表面，这些条纹在物体表面形成特定的变形。
摄像机捕捉到变形后的条纹图像后，通过解码算法提取出条纹的变形信息，进而恢复出物体表面的三维形态。
其中，光栅条纹的生成和投影是结构光三维测量的关键步骤，常见的光栅条纹有正弦条纹、二值条纹等。
在结构光三维测量系统中，摄像机和投影仪是两个核心组件。
摄像机负责捕捉投影到物体表面的条纹图像，而投影仪则负责生成并投影光栅条纹。
部分编码结构光三维测量技术的研究
Ｃ ｉａ ２ Ｓ ｅｚ ｅ ｕ ｈ ｓｉ ｌ ｈ ｎｈ ｎ５ ０ ， ｕ ｎ ｄ ｎ ｒｖｎｅ Ｃ ｉａ） ｈｎ ； ． ｈｎｈｎＬ ｏ ｕ ｐ ｔ ， ｅ ｚｅ １０ １Ｇ ａｇ ｏｇＰ ｏｉｃ， ｈｎ Ｈｏ ａ Ｓ ８ Ａｂｔａ ｔ ｓ ｃ：Ａ ｒｅｄｍｅ ｓ ｎｌ３Ｄ ｓａｅｍｅｓ ｍｅｔ ｔｏ ｓ ｇｐｒ ａ ｃｄｎ ｒｃ ｒｄｌ ｈ ｒｐ ｓｄ Ｔ ｉ ｒ ： ｔ ｅ—ｉ ｎｉ ａ （－ ） ｈ ｐ ａ￣ｅ ｎ ｍｅ ｄｕｉ ａ ｉｌ ｏ ｉｇｓｕ ｔ ｅ ｇ ｔｓ ｏ ｏｅ ． ｈｓ ｈ ｏ ｈ ｎ ｔ ｔ ｕ ｉ ｉｐ
第 ３ 卷第 ５ ９ 期
２ １ 年 ５月 ０２
光 电工程
Ｏｐ ｏ Ｅｌ ｃｒ ｎ ｃＥｎ ｉ ｅ ｒｎ ｔ — ｅ ｔｏ ｉ ｇ ｎ ｅ ｉ
Ｖｂｌ３ Ｎｏ． －９． ５
Ｍ ａ ， ０１ ｙ２ ２
文章 编号 ：１０ —０ （０ ０— ０ ７０ ３５ ２ ）５ ０５ —６ ０ １ Ｘ １ ２
部分编码结构光三维 测量技 术 的研究
霍金城 ，吴庆 阳 ，曾祥军 ，邓 丽 ２
（． １ 深圳市微纳光子信息技术重点实验 室 ，广东 深圳 ５ ８ ６ ； １０ ０ ２ ．深圳 市罗湖医院 口腔科 ，广东 深圳 ５ ８０ ） １０ １
摘要 ：提 出了一种部分编码结构光三维面形测量方法，将相位展开技术与条纹编码 结合起 来，既有效地减少 了投
基于编码结构光的三维测量技术研究
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。
在此基础上,进一步提出了四灰度级格雷码与三步梯形相移非对称组合编码方法,从原理上消除了周期错位现象,并将格雷码固有的一位解码误差降低为一个强度比误差,提高了测量准确度。
并对投射的梯形强度比编码图案进行了灰度修正,减少了环境噪声的影响。
通过实际测量实验,验证了本文编码方法的可行性,证明了本文提出的编码方法具有投射图案少、测量准确度高、抗干扰能力强、测量速度快的优点。
结构光三维视觉检测关键技术研究
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。
结论总的来说，结构光三维视觉检测技术是一种具有重要应用价值和发展前 景的技术。本次演示通过对该技术的关键技术、应用场景、研究现状和创新点进 行深入探讨和分析，指出未来该技术的发展方向和挑战。
结构光三维视觉检测关键技术研究
01 引言
目录
02 关键技术综述
03 应用场景分析04 研究现状05 Nhomakorabea新点和展望
引言
随着科学技术的发展，三维视觉检测技术在许多领域的应用越来越广泛。结 构光三维视觉检测技术作为一种重要的三维检测方法，能够通过对物体表面光线 的投射和接收，实现对物体表面的三维形状和纹理等信息的高精度测量。这种技 术在工业生产、医学诊断、安全监控、虚拟现实等领域具有广泛的应用前景。本 次演示将探讨结构光三维视觉检测关键技术的应用和发展。
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建和分析，帮助医生 更准确地诊断病情和治疗方案。
3、安全监控：在安全监控领域，结构光三维视觉检测技术可以用于进行高 精度的目标跟踪和识别，例如对人脸、肢体动作等进行三维识别和处理，从而提 高安全监控的准确性和效率。
编码结构光投影双目视觉三维测量技术研究
摘要三维成像技术是目前比较热门的研究领域，在众多已提出的方法中，采用结构光对物体表面进行扫描重建的方法越来越受到人们的重视。
投影结构光三维重建具有较高精度、非接触、检测速度快、操作简单等优点，在工业场景中正应用得越来越广泛。
单目的结构光系统面对具有复杂表面或者阶梯、陡峭表面的物体时，因遮挡问题而不能重建出完整的物体表面。
双目或多目的投影结构光系统可以有效地解决单目系统遇到的问题，但也引入了新的问题，比如：需要解决多目系统的标定以及多个点云融合的问题。
本文详细介绍了双目结构光系统的测量原理，主要包括投影图案的编码解码技术、系统模型中参数的标定以及点云的生成与融合拼接等。
通过对图案编解码策略进行分析，决定采用格雷码编码，它可以显著提高解码的可靠性。
在对投影仪进行标定时，通过局部单应性变换的方法将投影仪标定转换为成熟的相机标定，大大提高了投影仪标定的准确性。
在最后的点云重建部分，针对菱形排布投影器件的特性，提出了一种三角法三维点云重建的改进方案，有效地解决了正常使用三角法重建点云出现的变形问题。
之后，根据上述原理开发了一套双目结构光三维测量系统，使用它可对复杂表面进行三维重建。
该系统硬件组成比较简单，由一个投影仪和两个相机组成，在进行三维重建时，实际上是左右两个子系统（两个投影仪-相机对）分别进行三维点云重建，之后将右点云变换坐标与左点云进行融合。
实验结果表明工作距离为800mm时，系统的重复相对测量误差为0.6%，即能有效地重建出被测物三维形貌。
关键词：三维测量；双目结构光；格雷码；标定；坐标变换ABSTRACTThree-dimensional imaging technology is a hot research field at present.Among the many methods proposed,the method of scanning and reconstructing the surface of an object using structured light has received more and more attention.3D reconstruction of projection structure light has many advantages,such as high accuracy,non-contact,fast detection speed,simple operation,etc.It is being applied more and more widely in industrial scenes.When a single-objective structured light system faces an object with a complex surface or a stepped or steep surface,it can not reconstruct a complete object surface due to occlusion problems.Binocular or multi-objective projection structured light systems can effectively solve the problems encountered by monocular systems,but also introduce new problems,such as the need to solve the calibration of multi-eye systems and the problem of multiple point clouds fusion.In this paper,the measurement principle of binocular structured light system is introduced in detail,including the coding and decoding technology of projection pattern, the calibration of parameters in system model,the generation and fusion of point clouds, etc.By analyzing the pattern coding and decoding strategy,it is decided to adopt Gray code coding,which can significantly improve the reliability of decoding.In the calibration of the projector,the projector calibration is converted into a mature camera calibration by a local homography transformation method,which greatly improves the accuracy of the projector calibration.In the last part of point cloud reconstruction, according to the characteristics of diamond-shaped projection devices,an improved scheme of three-dimensional point cloud reconstruction using triangular method is proposed,which effectively solves the deformation problem of point cloud reconstruction using triangular method.Then,based on the above principle,a set of binocular structured light3D measurement system was developed,which can be used to reconstruct3D complex surfaces.The hardware composition of the system is relatively simple,consisting of a projector and two cameras.When performing3D reconstruction,the two subsystems (two projectors-camera pairs)are actually reconstructed by3D point cloud respectively, and then the coordinates of right point clouds and left point clouds are fused.The experimental results show that the system's repeated relative measurement error is0.6% when the working distance is800mm,which can effectively reconstruct thethree-dimensional shape of the measured object.KEYWORDS:three-dimensional measurement;binocular structured light;Gray code; calibration;coordinate transformation目录第一章绪论 (1)1.1课题研究的背景和意义 (1)1.2三维测量技术概述 (1)1.3投影结构光三维测量研究现状 (3)1.3.1点结构光 (4)1.3.2线结构光 (4)1.3.3编码结构光 (4)1.4课题来源和主要研究内容 (6)1.5小结 (7)第二章双目结构光三维测量技术 (8)2.1双目结构光三维测量原理 (8)2.2投影仪和相机模型 (9)2.2.1坐标系简介 (10)2.2.2针孔相机模型 (12)2.2.3畸变模型 (13)2.3投影图案编码 (14)2.3.1二进制编码 (14)2.3.2格雷码编码 (15)2.4健壮的格雷码解码 (16)2.4.1计算阴影掩码 (16)2.4.2光分量分离与像素分类 (16)2.5三角法求解三维点云 (18)2.6左右点云融合 (20)2.6.1获取旋转平移矩阵 (20)2.6.2基于迭代最近点（ICP）算法的点云配准 (21)2.7小结 (21)第三章结构光测量中的标定技术 (23)3.1标定的数学原理 (23)3.1.1张氏标定法 (23)3.1.2立体标定 (26)3.2标定数据的获取 (27)3.3参数标定 (28)3.3.1相机标定 (28)3.3.2投影仪标定 (29)3.3.3系统标定 (30)3.4标定实验结果分析 (31)3.5小结 (33)第四章软硬件设计及关键问题解决 (34)4.1系统硬件设计 (34)4.1.1系统硬件选型 (34)4.1.2系统硬件搭建 (36)4.2系统软件设计 (36)4.2.1软件开发的前期准备工作 (37)4.2.2软件总体设计 (37)4.2.3软件主要模块的实现 (38)4.3系统搭建中的关键技术 (43)4.3.1投影仪和相机之间的同步 (44)4.3.2对于菱形排布投影器件的三角法改进 (45)4.4小结 (47)第五章实验研究与分析 (48)5.1标准阶梯块测量实验 (48)5.2标准圆柱测量实验 (50)5.3左右点云融合效果展示 (52)5.4小结 (54)第六章总结与展望 (56)6.1总结 (56)6.2展望 (57)参考文献 (58)插图清单图1.1三维测量方法分类 (1)图1.2三坐标测量机 (2)图1.3Breuckmann公司的StereoSCAN-HE三维扫描仪 (3)图1.4点结构光示意图 (4)图1.5投影仪-相机对 (5)图1.6编码结构光分类 (5)图2.1双目结构光三维测量系统 (8)图2.2双目结构光系统工作流程 (9)图2.3坐标系示意图 (10)图2.4摄像机坐标系和世界坐标系 (11)图2.5像素p(199，360)的信息编码成两个序列 (15)图2.6二进制其中一bit图案像素编码 (15)图2.7二进制编码和格雷码编码比对 (15)图2.8某一bit的格雷码编码图案 (17)图2.9立体视觉模型 (18)图2.10两条空间直线距离的中点 (19)图3.1从不同方向拍摄的不同姿态的相机标定棋盘格图案序列 (29)图3.2使用单应性矩阵将棋盘格角点变换到投影仪平面上 (29)图3.3相机标定重投影误差 (33)图4.1系统硬件构成图 (36)图4.2软件主界面 (36)图4.3软件分层结构图 (37)图4.4条纹投影功能运行流程图 (38)图4.5投影仪控制界面 (39)图4.6图像采集流程图 (40)图4.7图片采集控制界面 (41)图4.8系统标定流程图 (42)图4.9三维重建设置界面 (42)图4.10点云显示效果图 (43)图4.11采集到的图像序列 (44)图4.12投影图案发生变形 (45)图4.13投影仪中DM微镜的菱形排布 (45)图4.14点云重建流程图 (46)图5.1系统实验示意图 (48)图5.2标准阶梯块 (49)图5.3采集的原始格雷码图片和格雷码解码结果 (49)图5.4阶梯块重建结果 (50)图5.5标准圆柱实物图 (51)图5.6圆柱体点云 (51)图5.7点云中两点之间的距离 (52)图5.8遮挡问题及其解决方案 (52)图5.9点云融合展示 (54)表格清单表2.1格雷码和二进制编码比较 (16)表2.2像素分类策略 (18)表3.1相机和投影仪标定时的参数 (28)表4.1相机主要参数 (35)表5.1标准阶梯块测量结果和误差（单位：mm） (50)表5.2拟合的圆柱半径（单位：mm） (51)表5.3点云融合精度（单位：mm） (53)第一章绪论第一章绪论1.1课题研究的背景和意义对物体表面三维尺寸的测量是当前比较热门的研究领域，相应的测量技术在我们的生产生活中有着广泛的应用。
基于结构光的三维测量技术研究
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第 22 期
基于结构光的三维测量技术研究
·15·
的光源作为信号，虽然这种测量方法对成像设备要求不 高，但对特征不明显的物体来说，难以获取较精确的三维 数据。主动式测量则是对受测物体发射测量信号来进行 测量。在主动式测量中，作为测量信号的可以是可见光、 激光，也可以是电磁波、声波等。从测量方法来看，主动 式测量包括激光测距法、结构光法和信号干涉法等［3］。
目前，人类所能感知的空间是三维的，客观物体在三 维空间中以立体的形态存在。人们对客观物体的认识首 先开始于视觉，能大概知道物体的外形和尺寸。后来，人 们已经不满足于对客观物体的定性观察，而开始对客观物 体进行定量测量。在对物体进行测量的过程中，一些测量 技术得到发展，传统的测量方法已经很难满足效率及精度 要求。随着工业现代化的推进，测量技术水平不断提高， 其中基于结构光的三维测量技术成为研究热点之一。
总 684 期第二十二期 2019 年 8 月
河南科技 Henan Science and Technology
信息技术
基于结构光的三维测量技术研究
宋少哲 牛金星 张 涛
（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）
摘 要：三维测量技术是计算机视觉领域的重要课题，也是工业技术发展的方向之一。为获取物体的三维信
结构光法是主动式测量技术中的一个重要方法，其 利用被待测物体所调制的结构光图像结合三角测量原理 来获取物体的三维数据。随着计算机视觉相关领域的发 展，如摄像机标定技术、计算机图像处理技术的进步，测 速快、精度高的结构光测量法在行业内逐渐受到肯定。
1 三维测量技术概述
三维测量技术是获取物体三维信息的一种技术，其 是指利用测量仪器、采取一定的测量手段获取空间三维 坐标的方法［1］。物体的三维信息是人类认识和改造世界
基于结构光的三维测量与目标重建方法的研究（光学工程专业优秀论文）
将式（３－５）代入插值条件：联合式（３—６）、（３－７）解得：ＰＩ伍）询－ｋａｌＸ只（ｘ）＝Ｙ。
ｉ＝０，１，有：口ｏ＋口Ｉ‰。
儿ａｏ＋Ⅱｌ而＝ｙｌ口。
＝儿一丛生ｘ。
，口ｌ：丛丛（３·５）（３—６）（３－７）所以：ｅ，Ｃｘ）＝２ｉ．：：丛ｘ＋ｙ。
一２ｉ二．兰生ｘ。
（３．８）工ｌ一工ｏ■一工。
式（３．８）就是连接两结点的直线方程。
给定一组深度数据值，应用线性插值法对其插值。
图３．１所示为深度数据三维效果图，图３．２所示为插值后的效果图。
图３．Ｉ原始深度数据Ｆｉｇ．３·ｌｏｒｉｇｉｎａｌｒａｎｇｅｄａｔａ３．２．２三次样条插值图３．２线性插值结果Ｆｉｇ．３—２ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｌｉｎｅａｒｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ三次样条插值Ⅲ１定义：设陋，６】上一个剖分Ａ：口＝‰＜而＜…＜ｘ。
＝６，如果函数Ｓ（ｘ）满足以下两个条件：１．Ｓ（ｘ）∈Ｃ”１【口，ｂ】２．Ｓ（ｘ）在每个子区间【‘＿ｌ，ｘ，】，ｆ＝０，１，２，…，ｎ上是埘次代数多项式则称Ｓ（ｘ）是关于结点剖分△的ｍ次样条函数。
若再给定，（ｘ）∈Ｃ［ａ，ｂ】在结点上的值．＿，＝，并使Ｓ（ｔ）＝Ｚ，ｆ＝０，１，２，…，，ｌ（３－９），、‘胃。
（工）：（工一）Ｉ三卫Ｉ（３．１７）Ｌ而一粕／利用式（３一１３）、（３－１４）、（３－１５）、（３－１６）这４个插值函数可直接写出Ｈｅｒｍｉｔｅ插值函数：Ｈ（ｘ）＝Ｙｏｈｏ（ｘ）＋Ｙｌ啊（ｘ）＋ｍｏ日ｏ（ｘ）＋ｍ１日ｌ（ｘ）（３－１８）用这一插值函数进行插值。
结果如图３．３所示；图３－２三次样条插值结果图Ｆｉｇ．３—２ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｓｐｌｉｎｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ３．３实验结果与分析图３．３Ｈｅｒｍｉｔｅ插值结果Ｆｉｇ．３－３ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆＨｅｒｍｉｔｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎ为了验证以上插值方法对深度数据的插值效果，首先我们定义均方误差仃作为衡量插值效果的标准：仃＝专厚鬲仔柳其中Ｎ为插值点的个数，：，为某一待插值点插值后的深度值，ｚ？是与ｚ．相对应的原始深度值。
基于编码结构光的三维测量技术及其仿真研究(论文答辩)
格雷码条纹图案实现
clear all %读取一幅640×480的图像 I=imread('i.jpg'); %图像灰度化 J=rgb2gray(I); figure %生成格雷码编码条纹图 A=J; A(:,1:320)=0;A(:,321:640)=255; subplot(3,3,1),imshow(A), … title('a)第一幅格雷码条纹图'); B=J; B(:,1:160)=0;B(:,161:480)=255; B(:,481:640)=0; subplot(3,3,2),imshow(B), … title('b)第二幅格雷码条纹图');
球面测量沿X轴方向的误差
圆锥面测量仿真
全亮的强度图像
重构的圆锥面
圆锥面测量沿X轴方向的误差
底面半径：120mm ，底面中心 坐标：(500.000,-250.000,-100.000) 高度：200mm。 x：[379.7326,501.7252] y：[-343.7707，-166.6869] z：[-100.2635,97.3032]
nN 2 N 2 ' tan 1 tan 1
mM M ' tan 1 tan 1
H h H到：
n ( N 1) 2 tan 1 0 arctan ( N 1) 2
(m M ) tan 1 0 arctan M ( H h) tan 1 arctan H
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。
基于单帧二值编码结构光的嵌入式高速三维测量技术研究
基于单帧二值编码结构光的嵌入式高速三维测量技术研究结构光三维测量技术在材料加工工程的许多领域取得了广泛的应用,解决了材料加工过程中大量存在的三维测量与检测难题,并为材料的成形性能评估、成形精度评价和成形工艺的改进提供基础数据。
随着技术的进步与工艺的发展,业界也对三维测量技术提出了越来越高的要求。
应用于材料加工工程中的三维测量设备将会从过去的离线测量,向高速、在线、实时测量的方向发展。
嵌入式高速三维测量设备将成为各种材料加工生产线上不可或缺的一部分,实现产品全测全检,甚至对生产系统反馈控制,修复产品缺陷。
另外,如疤痕耳廓缺损鉴定、交通事故现场测量、口腔义齿定制等其他领域对三维测量速度、计算效率和集成度等方面也提出了同样的要求。
因此,亟需研究开发嵌入式高速三维测量技术和设备,满足上述三维面形测量的需求。
但现有面结构光三维测量技术仍然存在如下挑战:(1)各种面结构光三维测量技术因其编码数量、编码形式的不同,在测量速度、测量精度与空间分辨率上各有侧重,难以兼顾。
单帧编码方法适合高速测量,但还存在空间分辨率低、稳定性不好等问题。
多帧编码方法测量空间分辨率高,但需要减少编码图像数量来提高测量速度。
(2)现有的三维测量系统一般使用X86计算机平台进行三维重建计算,高速测量带来巨大数据量和计算量对计算机的高速数据传输和浮点运算能力提出了较高的要求。
在材料加工工程的应用过程中,使用X86架构作为计算平台集成度低,不利于与其他系统集成。
针对以上关键性问题,本文对单帧编码结构光三维测量方法、相位移融合单帧邻域编码的三维测量方法、基于FPGA(现场可编程门阵列)的相位移算法架构、高速三维测量的应用研发等几个方面的关键技术进行深入研究。
这些研究内容为实现嵌入式高速三维测量设备提供了重要的技术基础,具有重要的理论和技术价值。
基于邻域的单帧编码方法避免了运动误差的影响,适合在高速测量中使用,但其在复杂表面的稳定性、空间分辨率等劣势亟需要通过合理的编码设计来解决。
基于编码结构光的三维重建的开题报告
基于编码结构光的三维重建的开题报告
研究背景和意义：
随着人类对三维世界越来越深入的认识和对三维数据处理技术的发展，三维重建技术在多个领域得到了广泛的应用，如虚拟现实、医学影像、机器人视觉等。
基于编码结构光的三维重建技术具有快速、高精度、非接触、低成本等优点，因此得到了越来越多的关注和研究。
研究内容：
本文将研究基于编码结构光的三维重建技术，具体内容包括：
1. 编码结构光的基本原理和优点，包括相移方法、二维条形码和格
雷码等，以及对应的解码算法。
2. 基于编码结构光的相机标定方法和误差分析，包括内参数、外参
数和非线性畸变等。
3. 基于编码结构光的三维点云重建算法，包括从编码图像到三维点
云的解码方法、立体匹配算法和点云融合方法。
4. 基于编码结构光的三维重建系统设计和实现。
研究方法：
本研究将采用实验研究和实现的方法，通过搭建基于编码结构光的
三维重建系统进行实验验证和算法实现。
具体实验流程包括相机标定、
编码图像采集、编码图像解码、立体匹配和点云融合等步骤。
预期成果：
在本研究的基础上，预期实现一个能够进行基于编码结构光的三维
重建的系统，并在实验中对该系统进行有效性和准确性的验证。
同时，
对该技术在虚拟现实、医学影像、机器人视觉等领域的应用作出一定的
探讨。
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0 0 6 0 2 0 其中，N=128，M=320，H=240， ， 0 0 1 1
480 640 tan 1 tan 1
0 19.06 1 14.850 ， a r c t a n (1 . 4 2 2 t a n) 1 1 1 1 。
敬请各位老师批评和 指导！
谢 谢！
格雷码条纹图案实现
clear all %读取一幅640×480的图像 I=imread('i.jpg'); %图像灰度化 J=rgb2gray(I); figure %生成格雷码编码条纹图 A=J; A(:,1:320)=0;A(:,321:640)=255; subplot(3,3,1),imshow(A), … title('a)第一幅格雷码条纹图'); B=J; B(:,1:160)=0;B(:,161:480)=255; B(:,481:640)=0; subplot(3,3,2),imshow(B), … title('b)第二幅格雷码条纹图');
由上面式子得到：
B tan y tan tan
B t a n t a n x y t a n t a n t a n
z M P t a n x ( B y ) t a n
' 2 2
要计算出坐标需先计算得到 、 、 。 ' ' ' 0 1 0 1 1
( H h )t a n 1 a r c t a n H
得到点P的坐标：
( m M )t a n 1 B t a n a r c t a n 0 M y n N 2t a n ( m M )t a n 1 1 t a n a r c t a n t a n a r c t a n 0 0 N 2 M
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
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% 。
本课题研究的内容
绪 论
1、研究格雷码编解码方法，设计投射的 编码图案和投射方式。 2、运用3dsmax软件仿真三维测量系统并 获得仿真的拍摄图像。 3、运用Matlab软件编程得到格雷码编码 条纹图案以及对拍摄图像进行处理，从而得到 景物表面点坐标和重构图。 4、对不同几何体进行仿真实验，对实验 结果进行分析。
n N 2 t a n 1 xy t a n y t a n a r c t a n 0 N 2
2 2
( H h ) t a n 1 z x ( B y )t a n x ( B y ) H
格雷码编解码原理及系统设计
扫描角的确定
能否精确地确定扫描角 是整个测量系统的关键 。 t a n a r c t a n Nk .
0
N
1
（该扫描角以OB边为基准）其中N为编 码总数，k为P点所在的编码区域，将 代入 系统的数学模型公式即可得到点P的三维坐 标。
绪 论
编码结构光法三维测量技术
编码结构光法三维测量是把按某种方法形 成的编码图案投射到被测物体表面从而获得 物体三维信息。根据编码方法按照一定的方 式进行解码，可得到图案上各个点所对应的 投射角 ，利用结构光基本公式就可以得到 物体表面的三维信息，编码结构光是最可靠 的三维测量技术之一。这种方法测量精度较 高，图像获取时间较短，是目前结构光三维 视觉的主要发展方向。
球面测量沿X轴方向的误差
圆锥面测量仿真
全亮的强度图像
重构的圆锥面
圆锥面测量沿X轴方向的误差
底面半径：120mm ，底面中心 坐标：(500.000,-250.000,-100.000) 高度：200mm。 x：[379.7326,501.7252] y：[-343.7707，-166.6869] z：[-100.2635,97.3032]
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
重庆理工大学学士学位论文答辩
基于编码结构光的三维测量技术及 其仿真研究
二级学院 专 业 学 号 姓 名 指导教师 电子信息与自动化学院 电子信息工程
绪 论
课题研究背景
与传统的二维图像相比，物体的三维图 像能够更加全面、真实地反映客观物体，提 供更加丰富而准确的信息。因此，三维测量 技术日益成为科学分析、生物工程、医学检 测和工业生产等方面研究的重要手段。 光学非接触测量是现代三维测量技术的发 展方向，其中结构光三维测量技术是近年来 的研究热点之一。
1
B 2 B1
格雷码解码
n位格雷码转换到 n位二进制 ：
Bn G
n n 1 n2
B n 1 B n G
B n 2 B n 1 G
B1 B 2 G 1 D代表十进制码， 格雷码转换为十进制：
n 1 n 2 D 2 B 2 B . . .2 B B n n 1 2 1 n 1 n 2 2 G 2 ( B G ) . . .( B G ) n n n 1 n 1 n 2
格雷码编码
格雷码表示为：
G G G G . . . . . . G n n 1 n 2 1
G G G G
n
B
n n
二进制码表示为：
BB n BB . . . . . . B n 1n 2 1
n 1 n2
B B
B
n 1 n2
n 1
B
n位二进制转换到n位 格雷码 ：
n N 2 N 2 ' tan1 tan1
m M M ' tan 1 tan 1
H h H ' tan 1 tan 1
由上式得到：
n ( N 1 )2t a n 1 0 a r c t a n ( N 1 )2 ( mM )t a n 1 a r c t a n 0 M
0 6 0 0 0 0 1 2 0 1
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 ta n y
x tan B y
z tan ' MP
茶壶面测量仿真
仿真的被测茶壶面（视角1）
仿真的被测茶壶面（视角2）重构的茶壶表面（视角1）
重构的茶壶表面（视角2）
总 结
通过对基于格雷码编码的三维 测量系统的分析和设计，使我对三 维测量技术有了更深的理解，对各 种三维测量方法也有了系统的认识。 但是在系统的软件编程过程中也暴 露了自己的一些不足之处，还需进 一步的学习和提高。