相位辅助光学三维测量系统的标定方法

相位辅助光学三维测量系统的标定方法

相位辅助光学三维测量系统的标定方法

Calibration Technique for Phase-Aided

Optical 3D Measurement Systems

一级学科仪器科学与技术

学科专业仪器科学与技术

作者姓名殷永凯

指导教师彭翔教授

天津大学精密仪器与光电子工程学院

二零一二年五月

独创性声明

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书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中

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签字日期:年月日签字日期:年月日

中文摘要

相位辅助光学三维测量技术具有测量精度高、数据密度大、测量速度快、系统结构简单、普适性和灵活性好等优点,是基于结构照明的光学三维测量中极具

代表性的一类方法,在工业制造、测绘导航、文化遗产、医学诊疗、影视娱乐等

各个领域有着日趋广泛的应用。

本论文主要针对相位辅助光学三维测量系统的标定方法及其相关技术展开研究,旨在提高测量系统的标定精度,寻找可行性更高的现场标定方法。在概括

介绍相位辅助光学三维测量的基本原理、国内外研究现状、发展趋势以及关键技

术的基础上,论文重点对决定系统标定精度的两个要素??基准点的图像坐标和

基准点的三维坐标进行了分析研究。

圆形标志点是标定所用基准点的常见形态,为了准确地获得圆形标志点图像的中心坐标,基于余误差函数的椭圆旋转变换对圆形标志点图像邻域的灰度分布

进行曲面建模,实现了基于曲面拟合的亚像素精度的中心定位。模拟和实际的实

验均证明,该方法对图像中的噪声表现出了较好的鲁棒性。讨论了由于透视投影

的非对称性导致的中心定位偏差,结合 Chen 的基于圆的相机标定技术以及Heikkil?的偏差模型来对上述中心定位偏差进行了修正。

单目的“相机-投影仪”结构是基于相位辅助光学三维测量技术的三维传感器的常见配置。针对单目三维传感器标定所常用的平面标靶,设计了一种基于位

置关系不变性实现基准点自动编码的平面标靶图案,用于方便地对传感器进行标

定。考虑到投影仪和相机在模型上的等价性,将光束平差原理引入单目三维传感

器的标定中,从根本上减小了由于基准点三维坐标的不确定度所引入的系统误

差。实验证明该方法可以利用制作精度较低的标靶实现较高精度的标定。

在测量拓扑复杂、尺度较大的物体时,一个可行性较高的方案是利用多个双目传感器构成多节点三维测量网来进行测量。通过对已有文献的分析可知,三维

标靶是昀适用于测量网标定的标靶。为此,首先以编码标志点为基准点来构造自

适应测量空间的三维标靶,然后运用欧氏重建和光束平差技术精确重建基准点的

三维坐标,昀后利用重构后的标靶方便地进行多节点三维测量网的标定。对上述

过程中的标靶重建精度和系统标定精度进行了小尺度下的实验验证。将上述测量

网的标定方法应用于一个工程案例,对某石英陶瓷坩埚自动检测系统中的三节点

测量网进行了实际标定。

关键词:光学三维测量,标定,中心定位,光束平差,测量网,相位辅助

ABSTRACT

Phase-aided optical three-dimensional 3D measurement PAOM-3D has the advantages of high accuracy, high density, rapid measurement, simple structure, good

universality and flexibility. The PAOM-3D is the most representative method among

optical 3D measurement techniques using structural illumination, and

it has

increasingly extensive applications in various fields including industrial

manufacturing, surveying & navigation, cultural heritage, medicine clinics,

entertainment, and so onThe calibration methodology and related techniques of the PAOM-3D system are

studied in this dissertation, which aims to improve the accuracy of system calibration

and find more feasible in situ calibration approach. After briefly introducing the

working principle, research status, development trend and key techniques of the

PAOM-3D, this dissertation pays more attention to the image coordinate and the 3D

coordinate of the benchmark, which are two essentials determining the accuracy of

system calibrationCircular landmark is the commonly used benchmark in the calibration. In order

to obtain the image coordinate of the circular landmark center, the gray level

distribution around the circular landmark image is modeled with the