多视角结构光测量是利用结构光测量系统从多个角度测量实现被测对象完整表达的过程,所以多个视角下测量数据的拼接影响了被测对象的完整性。提出一种利用深度学习估计位姿并直接进行多视角数据拼接的方法。结构光测量模型为四步相移配合多频外差法,实现单次高精度三维重建。使用只看一次(YOLO)网络识别被测对象的3D包围盒角点,采用n点透视(PnP)算法进行目标位姿估计。由于测量系统和位姿估计的坐标系均统一到单目相机下,多个视角的数据直接利用估计的位姿进行拼接。建立相邻点云的特征描述子,利用迭代最近点(ICP)算法实现高精度拼接。结果表明,提出的测量方法能够有效实现多视角结构光数据的拼接;位姿估计的平移精度优于3 mm,旋转精度优于1°,拼接点云的平均偏差为0.02 mm;这与利用标志点拼接的结果具有可比较的精度水平。拼接方法适用于单次可完整估计位姿的多视角结构光测量,提升了多视角拼接效率。

振镜扫描系统因其具有高速和高精度等优点被广泛应用于激光快速成型、激光精密打标和激光扫描测量等诸多领域,但因振镜系统的引入而存在系统测量误差。鉴于此,首先搭建线激光一维振镜扫描系统并采用双棋盘格标定板的标定方法对系统进行标定,然后建立系统的误差模型并对扫描过程中的测量误差进行理论分析,最后针对振镜转角误差提出一种基于查表法的补偿方法。实验结果表明,当测量工作距离为250 mm左右时,误差补偿后,中心距离的方均根误差从0.733 mm降低至0.061 mm,标准差从0.200 mm降低至0.060 mm,说明该方法能够显著提高系统的测量精度和鲁棒性。

提出一种新的快速激光条纹中心提取算法,该算法具有较好的抗噪声或冗余点能力。该算法在传统重心算法的基础上结合轮廓跟踪算法,根据激光条纹在图像中的分布特点,通过阈值轮廓跟踪算法避免了对图像中不包含激光条纹区域的扫描,以此提高了提取速度,不用对整幅图像完成一次扫描即可计算出激光光条中心。所提算法具有复杂度低、计算简单、程序运行时间少等优点。实验结果表明:该算法能够实现对光条中心的快速提取,比Steger算法提速将近70.37倍,比传统重心算法提速将近4.48倍;对光条图像增加噪声(冗余)点后发现,所提算法具有优良的抗噪效果。

为了快速实现花瓶等具有回转体性质文物的三维数字化,提出了一种非接触式测量方法,并研制了一套文物数字化三维重建系统,克服了文物三维重建时内腔信息缺失以及纹理畸变的问题。对于内腔,通过光学镜片改变激光测距仪光束的方向,结合转台和导轨的运动来获取文物内腔的点云数据;外形点云由线激光扫描仪结合转台运动来获取;为减小文物纹理的畸变,通过相机搭配远心镜头来获取文物不同转动角度位置的纹理图像,然后把所有角度位置提取的像素依次拼接在一起,形成完整的外形纹理展开图。最后介绍了对系统测量误差进行标定与补偿的方法。实验结果表明:此系统可实现对花瓶类文物的三维数字化,重建精度在0.5 mm以内。可满足在博物馆现场对文物进行快速安全三维数字化的需求。

提出了一种基于结构光多频相移法的相位校正算法。基于相位梯度,建立可靠度判据,将煤块有效测量区域内的相位点分成两类,并依次对其进行校正。实验分析了所提结构光投影算法的适用性,并测量该算法的精度。实验结果表明,所提方法较好地解决了煤块表面形貌测量中无效相位点的问题。

研究了行车环境下激光条纹图像中心线快速、准确且可靠的提取方法。基于ENet深度学习模型实现了激光条纹的多区段快速分割;通过统计各区段内光条梯度方向的直方图来确定各分段光条的法线主方向,并构造了相应的方向模板;利用分区域多模板匹配的灰度重心法实现了光条中心的亚像素坐标提取。研究结果表明,该方法可以有效克服室外行车环境中各类干扰信息对光条中心提取的影响,单幅钢轨轮廓图像的光条提取时间仅为2.1 ms,误差均值约为0.082 pixel,标准差为0.047 pixel,兼顾了光条中心提取的时效性和准确率。

标定方法一直是线结构光三维测量系统研究的关键要素。重点讨论了线结构光传感器标定方法中的三个问题:标定靶物、光平面标定方法以及标定精度评定方法的比较。首先,总结了常用的标定靶物类型及其标定特点,为标定靶物的选型提供参考;然后,按照标定靶物和传感器标定时的相对运动关系,将当前主要的光平面标定方法划分为三类,分别是靶物与传感器位置关系固定不动的标定方法、靶物与传感器之间存在可控运动的标定方法以及靶物与传感器之间可自由移动的标定方法;其次,系统归纳了现有标定精度的评定方法,分析了各种方法的原理以及特点;最后,总结了线结构光标定方法的发展现状,指出线结构光自扫描测量系统和水下标定是线结构光传感器的发展趋势。

针对现有结构光测量中采用的相位误差补偿算法存在的相位误差过补偿或欠补偿问题, 提出了一种新的相位补偿误差校正算法。推导了环境光下四步相移的相位误差数学模型, 解释了相位误差过补偿、欠补偿的产生原因;通过数学推导获得相位误差的解析表达式, 提出了相位误差过补偿、欠补偿的校正算法。该方法通过向标定平面投射4步相移图像、16步相移图像与黑白图像获得相位误差系数;然后在8种不同环境光条件下重复这一步骤获得多组系数;最后运用参数拟合法获得相位误差数学模型的具体表达式。实验结果表明: 无论在黑暗环境还是光环境下, 利用该修正方法进行相位误差补偿后均可使相位精度达到0.002 rad, 比进行相位误差补偿前提高了8.6倍左右, 比查找表(LUT)提高了2.5倍左右。该算法精度高, 速度快, 能有效解决相位误差过补偿、欠补偿的问题。

在线结构光测量中，为快速准确地提取点云的法向量，提出了一种外接圆方法。通过图像细化法求得光条纹初值中心点集，然后判定相邻三点是否共线：若共线，该点初始法线垂直于该直线；否则，这三点可以确定一个外接圆，连接外接圆心坐标和该点坐标得到该点的初始法向量。为减震荡，需对相邻三条初始法向量做平均，得到最终法向量。通过与Hessian 矩阵法和Sobel 梯度法进行对比，表明该方法能够准确提取法向量，且处理一幅320 pixel ×240 pixel 的图像的时间低于8 ms，能够满足实时性要求。