结构光三维测量系统中投影仪标定技术研究

投影仪标定是单摄像机单投影仪结构光三维测量中的基础。采用双面标定块实现投影仪的标定。标定块正面为黑底白色圆点图案,通过Tsai两步法及非线性优化完成摄像机标定。背面为反射率均匀的白色平面,由投影仪投影双方向高亮度的直线来生成特征点。针对特征点三维坐标难以确定的问题,采用了两种方法:一是依靠摄像机标定结果;二是结合正面圆点图案,利用交比不变性获取更多的有效输入数据。标定设备简单,操作方便。实验结果证明具有较理想的标定精度。     

一种基于机械式拼接的结构光扫描测量方法

测量大尺寸零部件一般需要较大的测量范围,而高精密扫描传感器往往视野较小。为了解决该矛盾,提出了一种基于机械式拼接的结构光扫描测量方法,通过结构光扫描仪获取局部高精点云,并利用高精十字平移台实现数据拼接。分析了测量系统的组成和测量原理,提出了一种基于加权非线性优化的外参标定方法,求解出结构光扫描仪和十字平移台之间非实物坐标系的变换关系。在实验中验证了系统在300 mm的测量范围内球心距的均方根误差（root-mean-square error,RMSE）优于45 μm;同时对实物进行了测量,检验了测量系统的实用性。     

一种基于线结构光的五轴扫描测量系统

提出了一种由线结构光测头、三坐标测量机和两个数控回转工作台组成的五轴线结构光扫描测量系统。该系统通过两个回转工作台带动被测物体旋转,使线结构光测头能够测量到物体四周和顶部的各个区域。为了把从不同角度测量的数据拼合到一起,建立了数据自动拼接的数学模型,并通过测量标准球实现了对系统的标定。实验结果表明,该系统能在一次装夹下完成对复杂物体的完整测量,测量数据能自动拼合在一起,拼接精度达到了0.008mm。     

基于参考靶标的线结构光传感器标定

为提高线结构光传感器(LSLS)的标定精度,提出了一种基于平面参考靶标的标定方法。给出了相机坐标系下参考靶标点中心坐标及激光平面方程的计算方法;将参考靶标点中心向激光平面投影,并以左下角投影点为原点建立世界坐标系,得到了靶标点中心像素坐标所对应的世界坐标;采用多项式拟合得到了任意像素点到世界坐标的转换关系,实现了传感器的标定,标定结果仅为多项式的系数,便于存储和使用;对标定误差进行了分析。结果表明,所提方法得到的各测试点与第一个点间距离误差的均方根值为0.0216 mm,相对于传统方法减少了22%,所提方法在LSLS高精度标定方面具有一定的优越性。     

反射光干扰下的格雷码结构光三维测量方法

在使用结构光进行三维重建与测量的过程中,为避免物体表面的反射光产生噪声干扰,导致错误的三维测量结果,提出一种在三维扫描系统中用于防止反射光干扰的投影补偿算法,利用高空间频率投影图案的概念,对场景中被反射光干扰的点进行去噪。再用统计分析算法对点云数据进行去噪、反馈并得到投影图的掩码图案,经过多次投影补偿后得到场景的三维点云数据。通过自行搭建的格雷码结构光三维扫描系统对实物场景进行扫描重建。实验表明该系统对于反射光的干扰具有较好的鲁棒性,且投影数量减少,验证了算法及系统的可行性。     

基于神经网络的结构光系统标定

提出一种基于神经网络的系统标定方法.通过射影变换及误差补偿方法,建立摄像机图像平面与投影仪图像平面的映射关系,利用该映射关系和标定点的摄像机图像坐标,计算得到相应的投影仪图像坐标;建立三层结构的神经网络,该网络以两个图像坐标为输入,对应的世界坐标为输出,训练样本由得到的标定点的两个图像坐标及其世界坐标组成,采用BP算法训练该网络;训练过程即为神经网络逼近系统模型的过程,训练完成时,系统完成标定.实验表明,与传统的结构光标定方法对比,本文提出的方法简化了建模复杂度和标定过程,提高了标定精度,并具有普遍适应性.     

基于平面互补靶标的线结构光标定系统

为提升线结构光传感器的标定效率与精度,设计了一种集成自背光可调节位姿的平面棋盘格-同心圆互补线结构光标定系统。该系统基于同心圆圆心的真实投影位置与投影椭圆圆心位置的几何关系,建立非线性优化偏心误差补偿模型,精确得到透射投影下圆心偏心误差补偿位置。该方法与传统标定方法对比降低重投影误差84.7%,有效解决了圆形标志物偏心误差补偿的高精度标定难题。通过将相机坐标系下过光心、光条中心线的平面与靶标平面结合,多次获取空间交线的坐标信息增加特征点,并使用最小二乘法拟合光平面方程,解决了因特征点少从而平面拟合标定精度较低的问题。在复杂环境下重复实验测得大尺寸砂轮外径误差均值为0.005 1 mm,结果表明该标定系统具有一定的准确性和简便实用性。     

结构光三维测量系统标定的关键算法研究

系统参数标定是结构光三维测量系统的关键问题之一,标定板特征圆圆心检测精度与投影仪、相机镜头gamma效应引起的相位误差是系统参数标定的主要误差来源。采用Sobel算子粗定位标定板特征圆的边缘点,以正交傅里叶-马林矩(OFMM)算子对边缘点进行亚像素定位,用椭圆拟合法确定特征圆圆心的方法提高标定板特征圆检测精度。同时,推导结构光三维测量系统gamma非线性数学模型,将计算得到的系统gamma值的倒数作为投影正弦光栅的指数以降低gamma效应引起的相位误差。实验结果证明了该方法的准确性,与不采用亚像素边缘检测与gamma校正相比,X、Y方向的标定精度分别提高约3.5倍与5倍。     

基于二维彩色靶标的结构光三维测量系统快速标定方法

系统标定是基于结构光投影的主动式光学三维面形测量的关键技术之一,同时也是一项复杂和耗时的工作。提出了一种基于RGB彩色模型的系统快速标定新方法。利用一个彩色的二维平面靶标和由投影仪投影的彩色标记特征图像实现了摄像机和投影仪的同时快速标定,对靶标的每个标定姿态位置只需要拍摄一幅图像即可得到该位置的特征参数。与传统方法相比,标定过程简单快捷,所需的数据量较少。利用该方法对一个结构光三维测量系统进行了现场标定,并测量了一个平面和一个半圆柱物体,实验结果中点到拟合平面的最大距离为0.8039mm,平均误差为0.1693mm。利用该系统恢复半圆柱物体的面形与传统标定方法的测量结果符合得很好。实验表明,由该方法获得的结果准确可用,且标定速度快。     

基于互补型光栅编码的相位展开

为了解决在运用相移技术和二元光栅编码结构光进行相位展丌时存在的误码问题,提出了一种新的互补型二元光栅编码.通过多投一幅格雷码图案,并利用格雷码相邻码字之间Hamming距离为1的特点,没计出互补的两种编解码方式.利用两种编码出现误码位置的不同,并结合相移技术解决了去包裹过程中的误码问题.论述了互补型二元光栅编码的设计方法及特点,并详细分析了基于互补型二元光栅编码的相位展开过程.计算机模拟和三维重建实验清楚地表明,提出的互补型光栅编码能很好地解决了误码问题且具有很高的可靠性.     

一种基于偏振光干涉的直线度测量系统

介绍了一种基于偏振光干涉的直线度测量系统,该系统由固定部分和活动部分组成。测量时,活动部分固定在被测要素上。被测要素的直线度变化将导致两线偏振光相位的变化。通过计量干涉条纹即可得到直线度的变化结果。实验显示本测量系统具有10nm的分辨率,在20mm的测量范围内误差≤0.5μm,提高了分辨率和测量精度。     

调制度测量轮廓术的系统标定

调制度测量轮廓术是一种采用垂直测量方式的三维面形测量方法,可以测量表面有剧烈变化区域的复杂物体。提出了一种基于调制度测量轮廓术测量系统的标定方法,其纵向标定是利用几个相互平行的标定平面建立与CCD像面各像素点对应的测量高度与实际高度之间的映射关系,并利用映射关系确定每一像素点对应的映射关系系数,然后建立映射关系系数查找表,存人测量系统中,完成纵向标定。首先分析了测量系统的误差来源,然后给出了标定方法和标定过程,最后给出了实测结果。结果表明,利用提出的系统标定方法可以有效消除调制度测量轮廓术测量系统误差,显著地提高了系统测量精度。     

Study on Calibration Methods of Structured Light Sensor

In this paper,advantages and disadvantages of existing calibration methods are presented.Based on the projective transformation which is the basic principle of a CCD camera,a new method of calibrating structured light sensor is presented.Steps and advantages of the calibration and experimental results are given.     

Study on Calibration Methods of Structured Light Sensor

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ａｌｉｎｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｌｉｇｈｔｓｅｎｓｏｒ (ａｌｓｏｎａｍｅｄｖｉｓｕａｌｓｅｎｓｏｒ)ｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｔｗｏｐａｒｔｓ ,ａＣＣＤｃａｍｅｒａａｎｄａｌｉｇｈｔｓｔｒｉｐｅｐｒｏｊｅｃｔｏｒ ,ａｓｓｈｏｗｎｉｎＦｉｇ .1 .Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｌｉｇｈｔｓｅｎｓｏｒｐｒｏｊｅｃｔｓａｌｉｇｈｔｓｔｒｉｐｅｏｎｔｈｅｐｒｏｆｉｌｅｏｆｔｈｅｏｂｊｅｃｔｔｏｂｅｍｅａｓｕｒｅｄｂｙａｌａｓｅｒ,ｔｈｅｎｔｈｅｓｃａｔｔｅｒｅｄｌｉｇｈｔｉｓＦｉｇ .1…     

结构光测量技术中的投影仪标定算法

详细介绍了投影机模型,并提出一种简单、高精度的投影仪参数标定算法,该算法将投影仪当作一个逆向的相机,使用一块带有圆形标志点的平面标定板对投影仪进行标定.标定过程中,使用两组不同方向的光栅图像建立投影仪图像和相机图像的对应关系,从而得到投影仪标定所需的图像数据,将投影仪标定转化为成熟的相机标定,然后使用相机标定算法对投影仪进行高精度标定.实验结果表明,所提议的投影仪标定算法操作过程简单,标定精度可达0.312 pixel.     

基于波长分离的结构光采集系统

彩色结构光系统利用彩色投影机与摄像机中的三个颜色通道,同时投影和采集三幅条纹图像,拍摄一次即可实现形貌测量,但其无法测量彩色物体,通道间的串扰也降低了精度。提出了一种新的系统,利用三个摄像机采集三个通道,并利用严格设计的分色棱镜和滤光片,消除了彩色结构光系统中常见的波长通道间的颜色串扰。基于三步位移法,分析了拍摄两次图像获得彩色物体形貌的过程,并针对该系统提出了校正方法。利用上述方法,拍摄两次即可得到彩色的物体形貌。     

改进傅里叶变换轮廓术的测量算法研究

提出一种适用于更普遍情况的计算方法.推导了投影装置与成像装置双瞳不等高且双轴不共面时的条纹获取公式.推导出新的相位获取公式以及相位高度映射公式.使得系统可以在双瞳连线不平行参考面,且双光轴也不共面时进行正确的三维测量.与传统的傅里叶变换轮廓术(FTP)相比,该算法实验系统的搭建更容易,投影装置和成像装置的摆放位置町以随意移动以方便全场条纹的获取;与改进的傅里叶变换轮廓术(IFTP)相比,只需要对系统测量三个长度量,系统参量的获取更容易和准确,从而误差变小,测量结果更加接近真实.     

基于彩色结构光的自由曲面三维重建方法

彩色结构光三维重建过程中,系统的非线性耦合以及待测曲面的拓扑结构等均会对结构光解码产生影响,从而导致调制条纹漏检和颜色码误识别.为解决这一问题,提出一种基于彩色编码结构光的三维重建方法.利用YUV颜色通道对调制条纹进行滤波差分投影处理,通过调制条纹的波形分布提取中心特征线;利用颜色聚类方法精确获取调制条纹的颜色码信息值...     

Study on the Alignment and the Calibration of a Laser Structured Light Sensor

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｅｎｓｉｎｇｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍａｎｙｆｉｅｌｄｓｓｕｃｈａｓａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｂｏｄｙ ｉｎ ｗｈｉｔｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ,ｒｏｂｏｔｖｉｓｉｏｎ ,ｉｎｖｅｒｓｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ,ｃｕｒｖｅａｎｄｃｏｎｔｏｕｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ,ＣＡＤ ＣＡＭａｎｄｍｅｄｉｃａｌｄｉａｇｎｏｓｉｓ .Ｏｐｔｉｃａｌｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｅｎｓｉｎｇｉｓｒｅｇａｒｄｅｄａｓｔｈｅｍｏｓｔｐｒｏｍｉｓｉｎｇｗａｙｉｎ…