基于連續(xù)序列自動快速拼接的全方位三維測量技術研究.pdf

1、近年來隨著傳感器技術的快速發(fā)展，3D測量技術廣泛應用于社會各行各業(yè)。數(shù)字光柵投影形貌測量方法作為3D測量的重要研究方向，其測量密度大、速度快、精度高、成本低，具有廣闊的應用前景。
　　本文針對數(shù)字光柵投影形貌測量輪廓術在測量精度和全方位立體拼接方面的一些關鍵問題和不足之處，以自動、精確、快速實現(xiàn)全方位測量與點云拼接為目標，對關鍵算法和實用方法展開研究，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)測量精度，為實現(xiàn)便

2、捷、精確的系統(tǒng)檢校，在確定立體相機-投影儀組合測量系統(tǒng)的檢校任務和檢校內(nèi)容的基礎上，利用純平LCD顯示器制作平面靶標，考慮移動、傾斜、旋轉等必須條件，制定了優(yōu)化的拍攝方案，運用張正友檢校方法進行立體相機檢校。實驗結果表明，該方案標定精度高、靈活性強，能為后續(xù)形貌恢復和點云拼接提供精確的定向數(shù)據(jù)。
　　2.相位測量的精度、速度、可靠性決定了測量系統(tǒng)的總體性能，全面準確地評價時間相位展開算法對實際應用中的算法選擇至關重要。本文提出了一

3、種從反正切和取整兩個函數(shù)對時間相位展開算法的可靠性進行綜合評價方法，通過實驗比較分析了該方法的評價結果與其它方法的評價結果，驗證了該方法的正確性;運用精度評價方法，對五種典型相位展開算法的精度進行了理論分析和實驗驗證;進而從數(shù)據(jù)獲取時間、計算時間、可靠性和精確度四個方面對目前常用的五種典型算法進行了綜合比較。
　　3.為提高相位測量精度，本文在深入分析最小二乘擬合法缺陷的基礎上，提出了兩種具有低非線性誤差的高精度相位測量方法。第一

4、種方法針對最小二乘擬合法無法有效消除系統(tǒng)非線性誤差的問題，綜合運用現(xiàn)有多方面研究成果，基于三頻外差時間相位展開算法，提出了結合雙四步相移法與最小二乘擬合（或簡單算術平均）的實用方法。理論證明了該方法的可行性，全面分析與評價了該方法的性能。實驗結果表明，該方法在校正系統(tǒng)非線性誤差的同時，能有效提高測量精度。第二種方法針對最小二乘法擬合不同時間相位展開算法時精度提高不穩(wěn)定的問題，提出了一種相位均值法。該方法增加時間相位展開算法在時間序列最大

5、時間點的重復采樣次數(shù)，借助雙四步相移法校正非線性誤差，利用算術平均降低隨機誤差，并討論了該方法在兩種不同時間相位展開算法中的應用。實驗結果表明該方法穩(wěn)定、快速、精度高。運用該方法，不同應用可根據(jù)對精度、速度、可靠性的綜合需求靈活地選擇時間相位展開算法和序列長度。
　　4.雙攝像機立體視覺形貌恢復方法具有幾何約束少、檢校參數(shù)少、靈活性高等優(yōu)點，但在二維相位特征立體匹配時時間開銷大，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獲取的二維相位編碼與投影二維相位編碼之間的對應關系，分別將兩臺相機的相位空間映射對應到投影儀相位空間，進而在投影儀像空間坐標系下對兩臺相機的像空間坐標進行匹配。實驗結果表明該方法準確性高，速度快。該算法的匹配結果可用于反算外方位參數(shù)，為進一步研究基于連續(xù)測量序列的點云拼接提供了直接依據(jù)和算法基礎。
　　5.目前常用的點云拼接方法難以同時保證初始定向參數(shù)的估計誤差小和拼接過程的自動化，本文提出了基于投

7、影空間約束的全方位立體拼接方法。該方法在測量方案上賦予測量系統(tǒng)的兩個子系統(tǒng)獨立移動的能力，采用交叉覆蓋方式對物體表面進行立體測量，依據(jù)相鄰攝站間的投影相位空間約束關系，實現(xiàn)多攝站點云的絕對定向;在計算方式上以絕對定向結果為初始參數(shù)，結合ICP算法，求解精確定向參數(shù)，完成點云的自動拼接。該方法的最大優(yōu)勢在于利用了投影空間約束提供的較為準確的初始定向參數(shù)，結合ICP算法能有效消除累積誤差。實驗表明該方法能夠實現(xiàn)全方位測量點云的快速、精確拼接