1 上海大学通信与信息工程学院特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444
2 中冶宝钢技术服务有限公司，上海 201999
结构光视觉技术是一种光学三维表面测量技术，具有速度快、精度高、鲁棒性强等优点。在实际应用中，线结构光发射器的镜头失真会导致光平面发生弯曲，而现有的大多数标定方法无法对失真进行补偿，并且会限制线结构光的分布规则。为了避免透镜失真所造成的影响，提出了一种精确且鲁棒性强的线结构光标定方法，通过构建曲面网格模型将水平、竖直射线追踪相结合，克服了现有方法对结构光分布方向的限制，同时，利用微分后的空间网格平面与像素网格平面之间的单应性关系实现了亚像素级的光条中心点三维重建。实验结果表明，该方法可以降低线结构光平面弯曲对标定精度的影响，对间距为55 mm的任意相邻靶标进行距离测量的误差小于0.08 mm，对间距为1133.85 mm的任意相邻靶标进行距离测量的精度可达0.50 mm。
线结构光曲面标定 射线追踪 曲面网格模型
1 上海大学特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444
2 上海宇航系统工程研究所，上海 201108
3 上海卫星工程研究所，上海 200240
4 上海航天电子技术研究所，上海 201108
研究了透视投影对同心圆偏心误差的影响并建立了偏心误差数学模型，提出一种基于同心圆偏心误差补偿迭代的高精度相机标定方法，使用基于几何约束的优化算法不断更新同心圆中心投影坐标，以精确地定位图像中同心圆的控制点投影中心，从而实现相机高精度标定。实验和仿真结果验证了所提方法在视觉应用中的有效性。与传统方法相比，所提方法可为计算机视觉和三维重建任务提供更准确的相机标定结果。
测量 同心圆 偏心误差补偿 几何约束 相机标定 迭代优化 光学学报
2022, 42(19): 1912003
上海大学特种光纤与光接入网重点实验室, 上海 200444
由于成像原理限制,深度相机无法获得非朗伯体高反射面和透明物质的真实深度值,造成模型缺失甚至重建失败。针对特殊表面的三维重建问题,提出一种定位特殊表面并优化位姿追踪的方法。通过累计零深度区和时序一致性约束优化对特殊表面进行定位。对深度数据置信度进行评估,并采用空间、时间两个维度上非平均的位姿计算方法来减小透明物质对位姿计算的影响。实验结果表明,在自然场景中,所提方法能够仅通过消费级相机采集的深度数据完成包含特殊表面的三维模型重建与修复,位姿追踪更加准确,模型精度更高。
机器视觉 三维感知 三维重建 非朗伯体定位 相机位姿优化 光学学报
2020, 40(21): 2115002
上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室, 上海 200444
针对大场景三维重建中, 由位姿估计的累积误差而导致的相机漂移和重建模型质量低的问题, 提出了减少累积误差的方法。首先, 基于由最新K对深度和彩色图像融合的模型, 最小化输入RGB-D图像的几何误差和亮度误差来跟踪相机。然后, 若相机位置与当前子网格的中心点距离大于给定阈值时, 则将子网格平移体素单元整数倍的距离, 基于新建的子网格继续跟踪相机并重建局部场景模型。最后, 在子网格间以迭代步长式的方法寻找对应表面点, 以对应点间的欧氏距离与亮度误差为约束, 优化全局相机轨迹。基于数据集的实验结果表明,相机位姿估计精度比主流方法提升14.1%, 全局轨迹优化精度提升8%。对于自采数据, 本文设计的系统可减少位姿估计中的累积误差、重建高质量的场景模型。
计算机视觉 深度相机 累积误差 三维重建 computer vision depth camera accumulated error three-dimensional reconstruction
1 上海大学 特种光纤与光接入网重点实验室, 上海 200072
2 嘉兴学院 数学与信息工程学院, 浙江 嘉兴 314001
根据编码结构光检测原理，建立了结构光测量系统的数学模型，研究了该模型各参量之间的相互关系及误差，得到了优化的系统结构参数。按照系统的几何结构，建立了深度信息的计算模型。分析了系统参数对模式成像的影响，实现了测量系统的模式像在不同参数值下的动态变形，并确定了图像坐标随深度值变化的几何关系。通过分析系统参数与深度信息的误差关系，确定了系统集成应遵守的约束条件，集成了最优系统结构。实验结果表明，按照优化参数建立的系统，其测量相对误差约为0.3%，基本满足编码结构光测量系统三维重建的高精度要求。
编码结构光 系统模型 误差分析 三维重建 coded structure light system model error analysis 3D reconstruction
1 华北水利水电学院 信息工程学院,河南 郑州 450011
2 上海大学 通信与信息工程学院 特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200072
在结构光系统中，编码光是解决对应点匹配的关键，编码光的性能直接影响结构光测量的精度、分辨率和实时性。在深入分析条纹图变形机理的基础上，证明了空间周期性应用到编码光设计的可行性，提出了运用空间周期的约束条件，分析了在编码光设计中引入空间周期性对测量性能的改进。分析结果表明，在编码图个数保持不变的情况下，在结构光编码中引入空间周期性，系统测量分辨率将会有很大的提高；同样在保持测量分辨率不变的情况下，应用空间周期性可减少编码模式的个数，更适合实时测量系统。结合时空编码方式，提出了一种新的实时编码光设计方案——周期时空条纹编码。该编码方式利用了空间周期性，在保证测量分辨率和精度的情况下，可减少编码模式的个数，适应实时测量的应用。对该编码方式进行了实验验证，实验结果证明了空间周期性应用于编码光设计的有效性。
结构光系统 编码光设计 空间周期性 周期时空编码 structured light system coded pattern design spatial periodicity alternate time-space coded pattern
1 上海大学 机电工程与自动化学院,上海 200072
2 上海大学通信与信息工程学院, 上海 200072
在柱透镜光栅自由立体显示技术中,能否正确匹配系统各个参数的关系,直接影响着最终观看的立体视觉效果。对柱透镜光栅立体显示的成像原理进行了研究,通过几何方法推导了柱透镜光栅显示系统各个参数之间的关系,并且采用光学软件TracePro进行验证,结果表明可以实现立体视觉,最后通过实验进一步证实了实际显示效果与软件验证结果相吻合。表明了系统之间参数设计的正确性。
自由立体显示 柱透镜光栅 参数关系 stereoscopic vision lenticular sheet parameter relationship
上海大学 通信与信息工程学院 特种光纤与光接入网省部级共建重点实验室,上海 200072
针对基于交比不变原理的结构光光平面标定方法,利用误差分析理论和矩阵扰动原理分别对系统的测量误差和光平面标定误差进行分析,提出了结构光测量系统的误差传递模型。给出了满足在1 000 mm的测量距离上获得±0.5 mm的测量精度情况下,各标定参数所需要的精度要求,以及标定样本提取的精度要求。通过实测实验结果,验证了误差分析的有效性。该误差分析为提高结构光系统的测量精度提供了理论依据。
结构光测量系统 误差传递分析 蒙特卡洛法 矩阵扰动 交比不变 structured light system error propagation analysis Mont Carlo method matrix disturbance cross-ratio invariant
上海大学 通信与信息工程学院 特种光纤与光接入网重点实验室,上海 200072
本文针对交比不变原理的结构光光平面标定方法,利用泰勒展开和矩阵扰动原理分别对系统的测量误差和光平面标定误差进行分析,提出了结构光测量系统的误差传递模型。并给出了一个实验特例的精度要求,即满足在1 000 mm的测量距离上获得±0.5 mm以内的测量精度情况下,各标定参数所需满足的精度要求,以及标定样本的精度要求。对误差传递模型所得出的标定参数的精度要求进行实测实验验证,得到测量数据的均方根误差为0.333 4 mm,满足理论上的精度要求。该实验结果证明了本文所述的误差分析可以有效地对结构光系统误差进行定量分析。
结构光测量系统 交比不变 系统误差分析 矩阵扰动理论 structured light system cross-ratio invariant system error analysis matrix turbulence
