本文選題：條紋投影　切入點：系統(tǒng)標定　出處：《深圳大學》2017年碩士論文

【摘要】：三維測量技術是一種關鍵的機器視覺技術,它在逆向工程、圖像識別、人工智能、虛擬現(xiàn)實以及生物醫(yī)學等方面都有著重要的應用。其中傳統(tǒng)的接觸式三維測量存在測量耗時長、彈性材料測量受限等缺點,因此無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。條紋投影的三維測量技術是一種非接觸式的方法,這種測量技術具有效率高、測量準確的優(yōu)點,因此成為了三維測量領域研究的熱點。本文針對條紋投影中的一些關鍵技術展開研究,比如基于相位匹配的多傳感器三維測量系統(tǒng)、大視場的三維測量系統(tǒng)以及3D點云配準等若干關鍵技術,并對這些技術進行了分析和總結,本文的主要內(nèi)容如下:1.介紹了條紋投影三維測量技術的基本原理以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,闡述了PMP(相位測量輪廓術)、格雷編碼、攝像機成像模型,以及對獲取到的3D點云數(shù)據(jù)處理的基本方法。2.由于單傳感器測量范圍的限制,多傳感器測量系統(tǒng)逐漸成為獲取物體完整3D面型的重要的方法。然而,傳統(tǒng)的多傳感器測量系統(tǒng),它們相互之間的系統(tǒng)標定是分開的,整個測量系統(tǒng)的標定耗時長、操作復雜,不能滿足現(xiàn)場標定的需求。針對傳統(tǒng)方法的不足,本文提出了一種基于相位傳遞的多傳感器測量系統(tǒng),每套測量系統(tǒng)的標定相互關聯(lián),并且在完成整個系統(tǒng)標定后,每套測量系統(tǒng)獲得的3D點云數(shù)據(jù)無需再次配準,自動轉化到統(tǒng)一的坐標系下,實現(xiàn)3D點云的全局配準。3.為了能夠滿足大視場三維場景的測量需求,我們設計了兩套三維數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),第一套采用了一種線結構光旋轉掃描的方法來獲取室內(nèi)環(huán)境的3D點云數(shù)據(jù),該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)360度場景的測量,但是測量速度慢、效率低。第二套則是利用魚眼鏡頭具有寬視場角和大景深的優(yōu)勢,來實現(xiàn)雙目立體視覺的大視場三維測量,但是由于鏡頭本身的特性,基于小孔成像模型的雙目立體視覺3D測量方法不再適用于魚眼鏡頭模型。因此,本文提出了一種基于球面模型的雙目立體視覺測量系統(tǒng),將測量物體的所在的世界坐標直接地轉化到單位球面坐標系,由于采用球面模型代替了平面透視投影模型,因此測量系統(tǒng)的FOV(視場角)不再受限。同時,針對雙目測量系統(tǒng)中的特征點匹配問題,本文提出了一種菱形匹配算法,極大的提高了查找的速度和測量的精度。4.在獲取測量場景的三維信息后,需要對獲取的多組三維點云數(shù)據(jù)進行點云配準處理。本文提出了一種基于2D圖像的3D點云配準算法。首先,通過計算相鄰兩幀2D圖像之間的仿射變換矩陣,完成相鄰兩組3D點云之間的粗配準;然后,通過2D坐標確定配準對應點的搜索區(qū)域,完成精配準;最后,再次通過3D坐標對應的2D坐標來進行全局配準。實驗驗證,這種方法極大的提高了配準的速度,完成了多個視角3D點云數(shù)據(jù)的拼接。
[Abstract]:3D measurement technology is a key machine vision technology, which has important applications in reverse engineering, image recognition, artificial intelligence, virtual reality and biomedicine.The traditional contact 3D measurement has the disadvantages of long measuring time and limited measurement of elastic materials, so it can not meet the needs of industrial production.The three-dimensional measurement technology of fringe projection is a kind of non-contact method. It has the advantages of high efficiency and accurate measurement, so it has become a hot spot in the field of three-dimensional measurement.In this paper, some key techniques in fringe projection, such as multi-sensor 3D measurement system based on phase matching, 3D measurement system with large field of view and 3D point cloud registration, are studied.These techniques are analyzed and summarized. The main contents of this paper are as follows: 1.This paper introduces the basic principle of fringe projection 3D measurement technology and the current research situation at home and abroad, and expounds the basic methods of PMP (phase measurement profilometry, Gray coding, camera imaging model) and 3D point cloud data processing.Due to the limitation of single sensor measurement range, multi-sensor measurement system has gradually become an important method to obtain the complete 3D surface shape of object.However, the calibration of the traditional multi-sensor measurement system is separate from each other. The calibration of the whole measurement system is time-consuming and complex, so it can not meet the requirements of field calibration.In view of the shortcomings of traditional methods, a multi-sensor measurement system based on phase transfer is proposed in this paper. The calibration of each set of measurement systems is related to each other, and after the calibration of the whole system is completed,The 3D point cloud data obtained by each measurement system need not be registered again, and it is automatically transformed to a unified coordinate system to realize the global registration of 3D point cloud.In order to meet the needs of 3D scene measurement in large field of view, we designed two sets of 3D data acquisition systems.The system can measure 360 degree scene, but the measuring speed is slow and the efficiency is low.The second set uses the advantages of wide field of view angle and large depth of field of field of field of view to realize the large field of view measurement of binocular stereo vision, but due to the characteristics of the lens itself,Binocular stereo vision 3D measurement method based on pinhole imaging model is no longer suitable for fish-eye lens model.Therefore, a binocular stereo vision measurement system based on spherical model is proposed in this paper, in which the world coordinates of measuring objects are directly transformed to unit spherical coordinate system, because the spherical model is used to replace the plane perspective projection model.Therefore, the FOV (Field of View Angle) of the measurement system is no longer limited.At the same time, aiming at the problem of feature point matching in binocular measurement system, a rhombus matching algorithm is proposed in this paper, which greatly improves the speed of searching and the precision of measurement.After obtaining the 3D information of the measurement scene, it is necessary to deal with the point cloud registration of multiple groups of 3D point cloud data.This paper presents a 3D point cloud registration algorithm based on 2D images.Firstly, by calculating the affine transformation matrix between two adjacent frames of 2D images, the rough registration between adjacent groups of 3D point clouds is completed. Then, the searching area of corresponding points is determined by 2D coordinates to complete the fine registration.Again, the global registration is carried out by 2D coordinates corresponding to 3D coordinates.Experimental results show that this method greatly improves the registration speed and completes the 3D point cloud data splicing of multiple views.
【學位授予單位】：深圳大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41

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本文編號：1702036