基于中国剩余定理的模拟编码结构光三维测量方法研究

【摘要】非接触三维自动测量是人们普遍关注的问题，在工业生产和现实生活中有着广阔的应用前景。其中，采用时间编码方式的结构光三维测量方法成为最为重要的发展方向，特别是模拟编码结构光法因具有采样密度高、分辨率高、测量速度高的优点而成为一种最具实用性和发展潜力的方法。然而，折叠相位误差和折叠相位展开一直是制约其发展和应用的两个关键难题。因此，本文针对编码结构光三维测量方法进行研究，提出基于中国剩余定理的模拟编码结构光三维测量方法，包括简便快速的相位展开方法和效果显著的折叠相位误差校正方法，以实现复杂景物表面三维形状测量的目的。在现有的相位展开方法中，中国剩余定理以其最大相位展开范围成为最具发展前景的相位展开方法，但其抗干扰能力差，运算速度慢，难以直接应用于工程实际。因此，本文在定义实数剩余测量误差容限的前提下，提出基于实数剩余小数差判据的中国剩余定理工程化快速求解算法。通过理论仿真实验，从不同类型实数剩余测量误差和大数据量的运算结果，对本文提出的方法定量定性地进行验证和评价。结合余弦相移、三角形相移和梯形相移折叠相位获取方法，提出基于中国剩余定理工程化快速求解方法的模拟编码结构光编解码方法，根据装置数学模型获得景物表面的三维信息。通过分析编码图像随机噪声引起的折叠相位测量误差，确定编码图案的编码节距和灰度调制范围，完成投射编码图案设计。针对平面和球面进行仿真实验，验证本文三维测量方法的有效性，同时与外差展开法和CRT搜索法进行仿真实验对比分析。在通过实验获取相机—投影仪灰度响应实验曲线的基础上，针对装置伽马响应非线性导致的折叠相位测量误差，提出并实现一种快速全量程折叠相位误差校正补偿方法，其中结合编码图案预编码与折叠相位补偿来实现测量范围内折叠相位测量误差的校正补偿。对该相位误差校正方法进行理论分析和实验验证。基于本文方法构建三维测量装置，建立该装置的无约束非线性映射数学模型，给出装置标定方法并完成标定实验。基于本文提出的三维测量方法和构建三维测量装置，进行三维测量实验。实验包括，本文测量装置数学模型的验证实验，本文工程化解法的验证实验，本文测量方法的验证实验，本文测量方法和测量装置测量准确度实验和复杂表面测量实验，本文相位误差校正方法效果对比实验，本文方法与外差法三维测量对比实验等。根据上述实验结果，对本文方法和装置进行评价。本文的研究为模拟编码结构光三维测量提供展开准确度高、展开范围大的编解码方法、实验方法及理论依据，为促进结构光三维测量技术发展及其工程应用提供基础。
【作者】王洋；
【导师】于晓洋；
【作者基本信息】哈尔滨理工大学，测试计量技术及仪器，2014，博士
【关键词】结构光；模拟编码；相移法；中国剩余定理；相位误差校正；

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