基于連續(xù)序列自動(dòng)快速拼接的全方位三維測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，3D測(cè)量技術(shù)廣泛應(yīng)用于社會(huì)各行各業(yè)。數(shù)字光柵投影形貌測(cè)量方法作為3D測(cè)量的重要研究方向，其測(cè)量密度大、速度快、精度高、成本低，具有廣闊的應(yīng)用前景。
　　本文針對(duì)數(shù)字光柵投影形貌測(cè)量輪廓術(shù)在測(cè)量精度和全方位立體拼接方面的一些關(guān)鍵問(wèn)題和不足之處，以自動(dòng)、精確、快速實(shí)現(xiàn)全方位測(cè)量與點(diǎn)云拼接為目標(biāo)，對(duì)關(guān)鍵算法和實(shí)用方法展開研究，具體成果如下:
　　1.系統(tǒng)檢校精度在很大程度上影響系統(tǒng)測(cè)量精度，為實(shí)現(xiàn)便

2、捷、精確的系統(tǒng)檢校，在確定立體相機(jī)-投影儀組合測(cè)量系統(tǒng)的檢校任務(wù)和檢校內(nèi)容的基礎(chǔ)上，利用純平LCD顯示器制作平面靶標(biāo)，考慮移動(dòng)、傾斜、旋轉(zhuǎn)等必須條件，制定了優(yōu)化的拍攝方案，運(yùn)用張正友檢校方法進(jìn)行立體相機(jī)檢校。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案標(biāo)定精度高、靈活性強(qiáng)，能為后續(xù)形貌恢復(fù)和點(diǎn)云拼接提供精確的定向數(shù)據(jù)。
　　2.相位測(cè)量的精度、速度、可靠性決定了測(cè)量系統(tǒng)的總體性能，全面準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)時(shí)間相位展開算法對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的算法選擇至關(guān)重要。本文提出了一

3、種從反正切和取整兩個(gè)函數(shù)對(duì)時(shí)間相位展開算法的可靠性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較分析了該方法的評(píng)價(jià)結(jié)果與其它方法的評(píng)價(jià)結(jié)果，驗(yàn)證了該方法的正確性;運(yùn)用精度評(píng)價(jià)方法，對(duì)五種典型相位展開算法的精度進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;進(jìn)而從數(shù)據(jù)獲取時(shí)間、計(jì)算時(shí)間、可靠性和精確度四個(gè)方面對(duì)目前常用的五種典型算法進(jìn)行了綜合比較。
　　3.為提高相位測(cè)量精度，本文在深入分析最小二乘擬合法缺陷的基礎(chǔ)上，提出了兩種具有低非線性誤差的高精度相位測(cè)量方法。第一

4、種方法針對(duì)最小二乘擬合法無(wú)法有效消除系統(tǒng)非線性誤差的問(wèn)題，綜合運(yùn)用現(xiàn)有多方面研究成果，基于三頻外差時(shí)間相位展開算法，提出了結(jié)合雙四步相移法與最小二乘擬合（或簡(jiǎn)單算術(shù)平均）的實(shí)用方法。理論證明了該方法的可行性，全面分析與評(píng)價(jià)了該方法的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在校正系統(tǒng)非線性誤差的同時(shí)，能有效提高測(cè)量精度。第二種方法針對(duì)最小二乘法擬合不同時(shí)間相位展開算法時(shí)精度提高不穩(wěn)定的問(wèn)題，提出了一種相位均值法。該方法增加時(shí)間相位展開算法在時(shí)間序列最大

5、時(shí)間點(diǎn)的重復(fù)采樣次數(shù)，借助雙四步相移法校正非線性誤差，利用算術(shù)平均降低隨機(jī)誤差，并討論了該方法在兩種不同時(shí)間相位展開算法中的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法穩(wěn)定、快速、精度高。運(yùn)用該方法，不同應(yīng)用可根據(jù)對(duì)精度、速度、可靠性的綜合需求靈活地選擇時(shí)間相位展開算法和序列長(zhǎng)度。
　　4.雙攝像機(jī)立體視覺形貌恢復(fù)方法具有幾何約束少、檢校參數(shù)少、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，但在二維相位特征立體匹配時(shí)時(shí)間開銷大，為此，本文提出了一種基于投影相位空間映射的二維相位特

6、征匹配方法。該方法利用了立體相機(jī)獲取的二維相位編碼與投影二維相位編碼之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分別將兩臺(tái)相機(jī)的相位空間映射對(duì)應(yīng)到投影儀相位空間，進(jìn)而在投影儀像空間坐標(biāo)系下對(duì)兩臺(tái)相機(jī)的像空間坐標(biāo)進(jìn)行匹配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法準(zhǔn)確性高，速度快。該算法的匹配結(jié)果可用于反算外方位參數(shù)，為進(jìn)一步研究基于連續(xù)測(cè)量序列的點(diǎn)云拼接提供了直接依據(jù)和算法基礎(chǔ)。
　　5.目前常用的點(diǎn)云拼接方法難以同時(shí)保證初始定向參數(shù)的估計(jì)誤差小和拼接過(guò)程的自動(dòng)化，本文提出了基于投

7、影空間約束的全方位立體拼接方法。該方法在測(cè)量方案上賦予測(cè)量系統(tǒng)的兩個(gè)子系統(tǒng)獨(dú)立移動(dòng)的能力，采用交叉覆蓋方式對(duì)物體表面進(jìn)行立體測(cè)量，依據(jù)相鄰攝站間的投影相位空間約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)多攝站點(diǎn)云的絕對(duì)定向;在計(jì)算方式上以絕對(duì)定向結(jié)果為初始參數(shù)，結(jié)合ICP算法，求解精確定向參數(shù)，完成點(diǎn)云的自動(dòng)拼接。該方法的最大優(yōu)勢(shì)在于利用了投影空間約束提供的較為準(zhǔn)確的初始定向參數(shù)，結(jié)合ICP算法能有效消除累積誤差。實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠?qū)崿F(xiàn)全方位測(cè)量點(diǎn)云的快速、精確拼接