基于光栅投影的三维测量方法关键技术研究

作     者：王昭太 

作者单位：桂林电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：甘勇

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 

主      题：光学三维测量 光栅投影 非线性误差 系统标定 

摘      要：在制造业中,准确获取零件的三维尺寸对确保产品质量至关重要。基于光栅投影的测量方法,通过向待测物体表面投射标记来提升测量精度,对无纹理表面的测量具有显著优势。对光栅投影三维成像关键技术中的系统成像模型、光栅的编码方式、包裹相位的求解与展开等进行了分析。围绕投影仪的非线性误差使求解出的相位出现偏差,导致求解的高度信息产生误差,影响测量精度;以及目前系统标定时投影仪标定方法运算量大、对误差点敏感、适用性较差等问题,进行深入研究并提出了一些新的方法和思路。主要研究内容如下: (1)针对投影仪非线性畸变引起的正弦光栅失真问题,利用计算机模拟仿真分析了不同gamma值对相位误差的影响,建立包裹相位误差幅值与gamma值的映射函数。分析实际光栅中的包裹相位误差,利用映射函数计算投影仪的gamma值,实现了对投影仪gamma畸变的预校正。将包裹相位误差降低了86%,显著提高了投影光栅的正弦性。 (2)为解决编码正弦光栅周期长度的不确定性,提出了一种新的约束方法。利用gamma值和系统的灰阶响应区间,引入相邻编码灰度值不相同的约束条件,对正弦光栅的编码周期长度进行有效约束。为正弦光栅编码周期长度的选择提供了参考约束,进一步提高了编码光栅的正弦性。 (3)针对传统投影仪标定方法成本高、计算量大、精度一般、鲁棒性差以及适用性有限的问题,提出了在绝对相位求解的基础上,通过构建特征点邻域内的相位矩阵,采用随机采样一致性迭代算法去除误差点进行拟合以及双平方权重拟合迭代降低离群点权重两种思路,对投影仪像素坐标系下特征点进行求解。实现了亚像素精度的投影仪标定,将投影仪的标定重投影误差降至0.09 pixels。 (4)结合提出的方法,通过计算合理布置实验装置进行了三维重构验证。实验结果表明,所提出的方法能够高效地重构复杂表面,并保持良好的测量精度。 本研究对光栅投影三维测量方法中的部分关键技术进行了创新性研究,并进行仿真和实验验证,为相关领域的研究和发展提供了重要的参考依据。