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基于数字相移条纹投影的实时三维测量技术研究
汇报人：
2024-01-14
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目录
引言
数字相移条纹投影技术原理
实时三维测量系统设计与实现
实验结果与分析
创新点与贡献
结论与展望
引言
01
三维测量技术需求
01
随着制造业、医疗、娱乐等领域的发展，对物体表面三维形貌的测量需求日益增长。
传统测量方法的局限性
02
传统的接触式测量方法如坐标测量机虽然精度高，但速度慢、成本高，难以满足实时、在线测量的需求。
数字相移条纹投影技术的优势
03
数字相移条纹投影技术作为一种非接触式测量方法，具有测量速度快、精度高、成本低等优点，在实时三维测量领域具有广阔的应用前景。
研究内容
本研究旨在通过理论分析和实验研究，探讨数字相移条纹投影技术在实时三维测量中的应用，包括相移算法优化、系统标定与误差分析等方面。
研究目的
通过本研究，期望提高数字相移条纹投影技术的测量精度和速度，推动其在工业检测、医疗诊断等领域的广泛应用。
研究方法
采用理论推导、数值模拟和实验验证相结合的方法，对数字相移条纹投影技术的原理、算法和系统实现进行深入研究。同时，通过与现有测量方法的对比分析，评估该技术的优势和局限性。
数字相移条纹投影技术原理
02
编码方式
主要包括时间编码、空间编码和混合编码等，其中数字相移技术属于时间编码方式的一种。
条纹投影技术
一种通过向被测物体表面投影特定编码的条纹图案，并从变形后的条纹图案中提取相位信息，进而获取物体表面三维形貌的光学测量技术。
应用领域
广泛应用于工业检测、生物医学、文物保护等领域，具有非接触、高精度、高效率等优点。
通过计算机生成多幅具有固定相位差的条纹图案，并依次投影到被测物体表面，然后采集变形后的条纹图案，利用相位解调算法提取相位信息。
数字相移技术
常用的有傅里叶变换法、相移法等，其中相移法具有精度高、抗干扰能力强等优点，被广泛应用于数字相移技术中。
相位解调算法
通常采用数字投影仪作为投影设备，其具有高分辨率、高亮度、色彩丰富等优点，能够满足数字相移技术对投影质量的要求。
投影设备
三维测量原理
基于三角测量原理，即通过已知的两点（投影仪和相机）和一条光线（投影仪发出的光线）可以确定一个平面，当该光线照射到物体表面时，会产生一个反射光线被相机捕捉，根据反射光线的位置可以计算出物体表面的三维坐标。
数学模型
建立投影仪坐标系、相机坐标系和世界坐标系之间的转换关系，通过相位信息和系统标定参数，可以求解出物体表面的三维坐标。其中，系统标定参数包括投影仪内参、相机内参以及投影仪与相机之间的外参等。
实时三维测量系统设计与实现
03
03
实时性要求
在保证测量精度的前提下，通过优化算法和提高硬件性能，实现实时三维测量。
01
光学系统设计
采用数字相移条纹投影技术，通过投影仪将编码后的条纹投射到被测物体表面，由相机捕捉变形后的条纹图像。
02
数据处理流程
对捕捉到的条纹图像进行解码、相位提取、相位展开、三维重建等处理，最终得到被测物体的三维形貌数据。
投影仪选择
相机选择
同步触发器
搭建环境
选用高分辨率、高亮度、高对比度的数字投影仪，确保投射出的条纹图像清晰、稳定。
为实现投影仪和相机的精确同步，选用高精度、高稳定性的同步触发器。
选用高分辨率、高灵敏度、低噪声的工业相机，确保捕捉到的条纹图像质量。
搭建稳定、无振动的测量环境，避免外界干扰对测量结果的影响。
三维重建算法
根据相位信息和系统标定参数，采用三维重建算法如立体视觉法、光线追踪法等，将被测物体的三维形貌数据重建出来。
条纹编码与解码算法
设计合适的条纹编码方式，如正弦波编码、方波编码等，并编写相应的解码算法，从变形后的条纹图像中提取相位信息。
相位提取与优化算法
采用相位提取算法如傅里叶变换法、窗口傅里叶变换法等，对解码后的相位信息进行优化处理，提高相位提取精度。
相位展开算法
针对相位提取过程中可能出现的相位包裹问题，设计合适的相位展开算法，如基于质量图的相位展开算法、基于最小二乘法的相位展开算法等。
实验结果与分析
04
首先，通过数字投影仪向被测物体投射相移条纹图案，并使用高速相机同步采集变形后的条纹图像。然后，利用相移算法对采集到的图像进行处理，提取相位信息。最后，根据相位与高度之间的映射关系，重建出被测物体的三维形貌。
实验过程
展示了不同物体在不同视角下的三维重建结果，包括形状、尺寸和表面细节等方面的信息。同时，还提供了重建精度和实时性能的相关数据。
结果展示
精度分析
通过与标准测量结果的对比，验证了本系统的测量精度。结果表明，在合理设置相移步数和投影仪分辨率的情况下，本系统能够实现较高的测量精度，满足一般工业检测的需求。
实时性能分析
对系统的实时性能进行了测试。结果表明，在高速相机的支持下，本系统能够