結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)誤差分析、控制及補償技術(shù)的研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)因其具有非接觸、無損、高效率、高分辨率、全場測量、可測易變形易碎物體等特性，在產(chǎn)品設(shè)計與制造、產(chǎn)品檢測和質(zhì)量控制、醫(yī)學(xué)工程、虛擬現(xiàn)實、人體測量、文物保存等行業(yè)都有很大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿?，已成為三維精密測量領(lǐng)域近年來的一個研究熱點。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各行業(yè)對結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)的測量準(zhǔn)確度、測量精度、數(shù)據(jù)質(zhì)量及穩(wěn)定性等性能要求也日益提高。因此，如何提高結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)的測量性能以不斷滿足這些行業(yè)的需求已成為當(dāng)前迫切需要解決

2、的問題。本文研究以提高基于格雷碼和相移結(jié)合編碼的結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)性能為目標(biāo)，在對測量系統(tǒng)設(shè)計、制造和使用過程中各類誤差影響因素進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，提出以測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模、模型參數(shù)標(biāo)定、相位誤差補償以及綜合誤差補償為關(guān)鍵技術(shù)的誤差控制與補償綜合解決方案，實現(xiàn)測量系統(tǒng)性能的改進(jìn)。
　　 結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模主要針對攝像機(jī)和投影儀的透視成像過程以及從二維圖像實現(xiàn)三維坐標(biāo)重建的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)描述。測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性對系統(tǒng)

3、測量準(zhǔn)確度和精度至關(guān)重要。論文研究了典型的測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，發(fā)現(xiàn)存在兩個嚴(yán)重影響系統(tǒng)建模精度的問題：1）要求系統(tǒng)組成構(gòu)件相互位姿關(guān)系滿足一定的幾何約束條件，導(dǎo)致測量系統(tǒng)加工和裝配誤差對系統(tǒng)測量精度產(chǎn)生較大影響；2)受投影儀一維編碼的限制，投影儀的建模精度普遍不高。針對這兩問題，論文提出了基于光線逆向投影的測量系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模方法。通過合理選擇建模參數(shù)，消除所有系統(tǒng)構(gòu)件對尺寸及位姿的幾何約束要求，降低測量系統(tǒng)加工和裝配的精度要求；同時，提出的

4、光線逆向投影的三維坐標(biāo)重建方法使投影儀也可采用和攝像機(jī)完全一致的高階鏡頭失真模型，提高其建模精度。仿真測量實驗表明光線逆向投影模型較現(xiàn)有的參考相位模型和線面求交模型可提高近一個數(shù)量級的測量準(zhǔn)確度及精度。
　　 結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)標(biāo)定是通過實驗和計算精確獲取系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型參數(shù)的過程，是保證系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度和精度的關(guān)鍵。論文分析了現(xiàn)有測量系統(tǒng)標(biāo)定方法在標(biāo)定模型、標(biāo)定參考物以及標(biāo)定流程存在的不足，提出了基于三維柵格點陣的結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)

5、同步標(biāo)定方法，其改進(jìn)體現(xiàn)在以下方面：1）在標(biāo)定模型上，采用了考慮高階鏡頭失真的攝像機(jī)和投影儀模型以及測量系統(tǒng)參數(shù)同步優(yōu)化求解模型，提高測量系統(tǒng)標(biāo)定精度；2)在標(biāo)定參考物上，采用在測量空間均勻分布并處于同一世界坐標(biāo)系的高精度三維柵格點陣，避免系統(tǒng)標(biāo)定精度受標(biāo)定參考物精度不足以及空間不均勻分布的影響；3）在標(biāo)定流程上，采用投影儀二維正交編碼的方式同步提取三維柵格點的攝像機(jī)和投影儀二維對應(yīng)點，解決了兩步標(biāo)定法中攝像機(jī)標(biāo)定結(jié)果影響投影儀標(biāo)定基礎(chǔ)

6、數(shù)據(jù)提取精度的問題。25mm標(biāo)準(zhǔn)距離測量結(jié)果表明本文的測量系統(tǒng)同步標(biāo)定方法較現(xiàn)有標(biāo)定方法提高了至少47％測量準(zhǔn)確度以及28％測量精度。
　　 由于現(xiàn)有投影技術(shù)很難準(zhǔn)確提供結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)所需的數(shù)學(xué)上完美的正弦分布相移光強(qiáng)信號，這導(dǎo)致計算獲得的物體相位與其理想相位存在一定誤差，從而引起測量數(shù)據(jù)周期性波動，嚴(yán)重降低測量點云質(zhì)量。針對這一問題，提出了基于平滑樣條曲線擬合的相位誤差補償方法。在分析參考平面相位非線性以及波動性特征的基礎(chǔ)

7、上，采用平滑樣條擬合的方法從參考平面相位中精確提取測量系統(tǒng)相位誤差分布曲線。該相位誤差分布曲線可作為系統(tǒng)參數(shù)用于被測物相位的補償。對于補償后被測物相位殘差，提出基于平滑樣條擬合的相位殘差消除方法作迸一步處理。平面測量實驗表明使用相位誤差分布曲線可減小70％被測物相位誤差；經(jīng)過相位殘差消除處理后，可進(jìn)一步獲得65％的改進(jìn)。
　　 結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)建模、標(biāo)定和相位誤差補償后仍然不可避免存在著測量誤差。這種測量誤差是由系統(tǒng)模

8、型精度、標(biāo)定精度等多因素耦合作用而成，因此本文研究中稱之為測量系統(tǒng)的綜合誤差，并提出了基于三維柵格點陣的綜合誤差實時補償方法。該方法包括四個主要流程：1）使用高精度三維柵格點陣以獲得精確的測量系統(tǒng)標(biāo)定及綜合誤差補償基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；2)統(tǒng)一了測量系統(tǒng)的測量、標(biāo)定和綜合誤差補償坐標(biāo)系，避免數(shù)據(jù)擬合求解坐標(biāo)系位姿轉(zhuǎn)換關(guān)系而產(chǎn)生的誤差；3)使用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)實現(xiàn)測量系統(tǒng)標(biāo)定后，即可精確獲取綜合誤差的空間分布；4)測量系統(tǒng)綜合誤差分布可通過八點空間插補法對測