相位辅助光学三维测量系统的标定方法相位辅助光学三维测量系统的标定方法Calibration Technique for Phase-AidedOptical 3D Measurement Systems一级学科仪器科学与技术学科专业仪器科学与技术作者姓名殷永凯指导教师彭翔教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一二年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
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(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名: 导师签名:签字日期:年月日签字日期:年月日中文摘要相位辅助光学三维测量技术具有测量精度高、数据密度大、测量速度快、系统结构简单、普适性和灵活性好等优点,是基于结构照明的光学三维测量中极具代表性的一类方法,在工业制造、测绘导航、文化遗产、医学诊疗、影视娱乐等各个领域有着日趋广泛的应用。
本论文主要针对相位辅助光学三维测量系统的标定方法及其相关技术展开研究,旨在提高测量系统的标定精度,寻找可行性更高的现场标定方法。
在概括介绍相位辅助光学三维测量的基本原理、国内外研究现状、发展趋势以及关键技术的基础上,论文重点对决定系统标定精度的两个要素??基准点的图像坐标和基准点的三维坐标进行了分析研究。
圆形标志点是标定所用基准点的常见形态,为了准确地获得圆形标志点图像的中心坐标,基于余误差函数的椭圆旋转变换对圆形标志点图像邻域的灰度分布进行曲面建模,实现了基于曲面拟合的亚像素精度的中心定位。
模拟和实际的实验均证明,该方法对图像中的噪声表现出了较好的鲁棒性。
讨论了由于透视投影的非对称性导致的中心定位偏差,结合 Chen 的基于圆的相机标定技术以及Heikkil?的偏差模型来对上述中心定位偏差进行了修正。
单目的“相机-投影仪”结构是基于相位辅助光学三维测量技术的三维传感器的常见配置。
针对单目三维传感器标定所常用的平面标靶,设计了一种基于位置关系不变性实现基准点自动编码的平面标靶图案,用于方便地对传感器进行标定。
考虑到投影仪和相机在模型上的等价性,将光束平差原理引入单目三维传感器的标定中,从根本上减小了由于基准点三维坐标的不确定度所引入的系统误差。
实验证明该方法可以利用制作精度较低的标靶实现较高精度的标定。
在测量拓扑复杂、尺度较大的物体时,一个可行性较高的方案是利用多个双目传感器构成多节点三维测量网来进行测量。
通过对已有文献的分析可知,三维标靶是昀适用于测量网标定的标靶。
为此,首先以编码标志点为基准点来构造自适应测量空间的三维标靶,然后运用欧氏重建和光束平差技术精确重建基准点的三维坐标,昀后利用重构后的标靶方便地进行多节点三维测量网的标定。
对上述过程中的标靶重建精度和系统标定精度进行了小尺度下的实验验证。
将上述测量网的标定方法应用于一个工程案例,对某石英陶瓷坩埚自动检测系统中的三节点测量网进行了实际标定。
关键词:光学三维测量,标定,中心定位,光束平差,测量网,相位辅助ABSTRACTPhase-aided optical three-dimensional 3D measurement PAOM-3D has the advantages of high accuracy, high density, rapid measurement, simple structure, gooduniversality and flexibility. The PAOM-3D is the most representative method amongoptical 3D measurement techniques using structural illumination, andit hasincreasingly extensive applications in various fields including industrialmanufacturing, surveying & navigation, cultural heritage, medicine clinics,entertainment, and so onThe calibration methodology and related techniques of the PAOM-3D system arestudied in this dissertation, which aims to improve the accuracy of system calibrationand find more feasible in situ calibration approach. After briefly introducing theworking principle, research status, development trend and key techniques of thePAOM-3D, this dissertation pays more attention to the image coordinate and the 3Dcoordinate of the benchmark, which are two essentials determining the accuracy ofsystem calibrationCircular landmark is the commonly used benchmark in the calibration. In orderto obtain the image coordinate of the circular landmark center, the gray leveldistribution around the circular landmark image is modeled with thesurface createdby elliptic rotation of the complementary error function, and then the center can belocated with sub-pixel accuracy using surface fitting algorithm. Experiment results forboth simulated and practical images demonstrate that the proposed method showsgood robustness against the image noise. The eccentricity error of center locationalgorithm caused by the asymmetric perspective projection is discussed, and thiseccentricity error is corrected with the combi nation of Chen’s camera calibrationbased on circles and Heikkil?’s formulation for the eccentricity errorMonocular “Camera-Projector” structure is the common setup for 3D sensorbased on the PAOM-3D technique. Since planar target is commonly used in thecalibration of the monocular 3D sensor, a planar calibration target pattern, which canachieve auto-coding for benchmarks by using positional relationship invariance, isdesigned for conveniently calibrating the 3D sensor. Taking into account theequivalence on the modeling for projector and camera, the principle of bundleadjustment is introduced into the process of calibrating the monocular 3D sensor,which can effectively reduce the system calibration error arising from the inaccurate3D coordinates of the benchmarks. Experiment results show that the proposed methodcan reach relatively high calibration accuracy while utilizing calibration target withlow manufacture precisionWhen measuring objects of large scale and complex topology, a more feasiblescheme is to build up a multi-node optical 3D measurement network consisting ofmultiple binocular 3D sensors. An analysis of previous literature shows that the 3Dcalibration target is the most suitable one for measurement network calibrationTherefore, the coded landmarks which are taken as benchmarks are used to build the3D calibration target that is self-adaptive to the measurement volume,then theEuclidean reconstruction and bundle adjustment are employed to reconstruct the 3Dcoordinates of benchmarks accurately. Finally the multi-node 3D measurementnetwork can be calibrated conveniently with the reconstructed target. The accuracy oftarget reconstruction and system calibration are well evaluated in the experiments on areduced scale. The proposed approach of measurement network calibration is appliedto an engineering case study, in which a three-node measurement network to inspectthe silica ceramic crucible automatically was successfully calibratedKey words: optical three-dimensional 3D measurement, calibration, center location,bundle adjustment, measurement network, phase-aided目录第一章绪论 1?1.1 光学三维测量简介1?1.1.1 典型技术. 1?1.1.2 应用领域. 8?1.2 相位辅助光学三维测量. 11?1.2.1 结构光编码与相位编码11?1.2.2 工作原理13?1.2.3 系统标定14?1.2.4 国内外研究现状与发展趋势 16?1.3 本论文的研究背景及主要创新点 18?1.3.1 课题来源18?1.3.2 主要研究内容和创新点18?第二章相位辅助光学三维测量系统的基本原理. 21?2.1 双目三维传感器. 21?2.1.1 相机模型21?2.1.2 双目传感器模型24?2.1.3 双目传感器标定25?2.1.4 影响标定精度的因素分析. 26?2.2 单视点深度像27?2.2.1 相位重建27?2.2.2 对应点搜索. 30?2.3 深度数据的后处理 31?2.3.1 深度像匹配. 31?2.3.2 深度像融合. 33?2.3.3 几何模型简化 34?2.4 本章小结. 35?第三章圆形标志点的中心定位36?3.1 标志点的自动识别 36?3.1.1 边缘检测36?3.1.2 目标识别37?3.2 基于曲面拟合的亚像素中心定位 38 3.2.1 算法原理39?3.2.2 参数估计41?3.2.3 实验结果42?3.3 中心定位投影偏差的分析和修正 47?3.3.1 中心定位偏差分析. 48?3.3.2 中心定位偏差修正. 50?3.4 本章小结. 56?第四章单目三维传感器的标定58?4.1 单目传感器标定的基本论述58?4.1.1 单目传感器系统模型 58?4.1.2 单目传感器标定的基本原理 60?4.2 标靶图案设计61?4.3 基于光束平差的单目传感器标定 64?4.3.1 基本原理64?4.3.2 算法分析65?4.3.3 实验结果67?4.4 本章小结. 71?第五章多节点三维测量网的标定. 73?5.1 多节点三维测量网标定的一般论述73?5.1.1 多节点三维测量网模型73?5.1.2 多节点三维测量网标定的基本原理 74?5.1.3 测量网标定的研究现状75?5.2 编码标志点的设计与解码 75?5.2.1 编码标志点的设计. 76?5.2.2 编码标志点的解码. 78?5.3 基于自适应标靶的三维测量网标定79?5.3.1 自适应标靶的构造. 79?5.3.2 三维测量网的标定. 84?5.4 测量网标定的实验验证. 84?5.4.1 标靶重构实验 84?5.4.2 测量网标定实验87?5.5 本章小结. 88?第六章三维测量网应用案例研究??石英陶瓷坩埚自动检测. 90?6.1 自动检测的需求. 906.2 检测系统方案设计 91?6.3 三维数据采集93?6.3.1 系统标定93?6.3.2 深度像采集. 96?6.4 三维数据后处理. 96?6.4.1 深度像匹配. 97?6.4.2 几何特征检测 98?6.4.3 生成报表 100?6.5 本章小结101?第七章总结与展望103?7.1 全文总结103?7.2 工作展望104?参考文献106?附录 128?A. 椭圆方程及其性质 128?B. 昀小二乘问题129?B.1 线性昀小二乘问题130?B.2 非线性昀小二乘问题. 130?C. 由本质矩阵求解相机外参 133?发表论文和参加科研情况说明136?致谢 138第一章绪论第一章绪论1随着先进制造技术的发展和产品需求的多样化,对复杂结构和自由曲面的测量需求不断增长,传统的针对经典几何量如长度、角度、直线度、平面度等的测量手段,在应对复杂的测量任务时,其局限性日益凸显。