發(fā)布時(shí)間：2020-07-31 22:25

【摘要】：隨著三維數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)低成本、低功耗、體積小的三維測(cè)量設(shè)備需求逐漸增多,因此催生出一種基于衍射光學(xué)元件的微型結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量設(shè)備,目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量、逆向工程、醫(yī)療診斷、文物保護(hù)等多種領(lǐng)域。這種基于衍射光學(xué)元件的新型三維測(cè)量設(shè)備發(fā)展時(shí)間較短,在結(jié)構(gòu)光編碼和器件設(shè)計(jì)中尚存在一些問(wèn)題亟待改進(jìn):(1)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)光多采用復(fù)雜符號(hào)或多級(jí)顏色編碼增加信息冗余量、減小窗口編碼長(zhǎng)度,以提高測(cè)量速度、精度和抗干擾能力,而微型結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量設(shè)備受衍射光學(xué)元件所限只能生成形狀簡(jiǎn)單的編碼圖案,因此設(shè)計(jì)一種適合衍射光學(xué)元件的大信息量的編碼方案具有十分重要的意義。(2)點(diǎn)陣編碼結(jié)構(gòu)光的三維測(cè)量主要依賴鄰域特征點(diǎn)匹配,對(duì)投影特征點(diǎn)的相對(duì)位置要求高,因此如何實(shí)現(xiàn)編碼點(diǎn)陣清晰、準(zhǔn)確地投影至物體表面是衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題。針對(duì)上述兩個(gè)問(wèn)題,本課題主要研究了點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)光編碼和衍射光學(xué)元件設(shè)計(jì)的優(yōu)化算法,提出了一種二進(jìn)制、小窗口、密度大、平均漢明距高的大尺寸偽隨機(jī)陣列編碼方案和一種改進(jìn)的G-S算法,并通過(guò)加工實(shí)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)算法進(jìn)行驗(yàn)證,獲得了與編碼方案相符的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)光投影,對(duì)提高微型結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)的精度和速度具有十分重要的意義。論文主要工作包含如下:(1)提出了一種基于公式法和窮舉法編碼的二進(jìn)制編碼方法,該方法通過(guò)逐點(diǎn)優(yōu)化思路解決了公式法編碼尺寸長(zhǎng)寬比過(guò)大、不具有中心對(duì)稱性等問(wèn)題,突破了窮舉法編碼的尺寸限制,減少了計(jì)算時(shí)間。將該方法設(shè)計(jì)的改進(jìn)編碼與Kinect的編碼方案相比,編碼點(diǎn)密度更高、唯一子窗口更小、平均漢明距更大,為實(shí)現(xiàn)抗干擾能力更強(qiáng)、解碼速度更快、精度更高的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量奠定了基礎(chǔ)。(2)為提高點(diǎn)陣投影的均勻性,我們?cè)贕-S算法的基礎(chǔ)上提出了一種新的改進(jìn)算法,與經(jīng)典算法相比,該算法極大地緩解了G-S算法的初始相位敏感性,同時(shí)保持了G-S算法的收斂速度,計(jì)算量遠(yuǎn)小于SA算法,并采用嚴(yán)格的瑞利-索墨菲衍射積分驗(yàn)證了該算法的可行性。(3)利用微納加工技術(shù)制備了多組衍射光學(xué)元件,通過(guò)搭建光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)驗(yàn)證了投影點(diǎn)陣的相對(duì)位置與(1)中設(shè)計(jì)的編碼完全相符,投影點(diǎn)陣整體變形小,且投影點(diǎn)輪廓清晰無(wú)粘連。最后對(duì)投影點(diǎn)陣中較強(qiáng)的零級(jí)衍射和十字形衍射光斑等問(wèn)題的誤差來(lái)源進(jìn)行分析,確定了此類問(wèn)題主要由刻蝕深度誤差和結(jié)構(gòu)與光闌之間存在縫隙導(dǎo)致。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O436.1
【圖文】：

率和質(zhì)量；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，三維測(cè)量在整形手術(shù)中變得越來(lái)越重要，此骼動(dòng)態(tài)三維測(cè)量可以應(yīng)用于假牙制造、疾病診斷與治療[2]；在文物 保通過(guò)對(duì)文物形狀的三維測(cè)量可以獲取其變形、裂縫等信息，有助于人及文物保護(hù)[3]；在虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，三維測(cè)量已經(jīng)大量應(yīng)用于模擬職業(yè)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)以及體感游戲；此外三維重建技術(shù)還廣泛應(yīng)用于地質(zhì)學(xué)、考古學(xué)程、刑偵等領(lǐng)域[4]。目前主流的光學(xué)三維測(cè)量方法包括投影結(jié)構(gòu)光[5]間法和雙目視覺(jué)等，其中基于結(jié)構(gòu)光的三維測(cè)量方法與飛行時(shí)間法和相比具有測(cè)量精度高、量程大、實(shí)時(shí)性好、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單因而在三維測(cè)量領(lǐng)域占有非常重要的地位。目前市場(chǎng)上存在很多基于結(jié)構(gòu)光的三維測(cè)量設(shè)備，例如FARO公司的Cay Imager，如圖 1-1 (a)所示，采用雙目結(jié)構(gòu)光方案，尺寸為 440 23mm ，重 5kg，在測(cè)量距離 500mm 處測(cè)量精度可達(dá) 0.05mm。此類產(chǎn)品業(yè)測(cè)量、逆向工程等領(lǐng)域，測(cè)量精度高，但是體積過(guò)大、價(jià)格昂貴等了其應(yīng)用范圍。近年來(lái)，隨著高性能微型計(jì)算機(jī)、高分辨率成像傳感工技術(shù)的發(fā)展，三維測(cè)量產(chǎn)品開始向進(jìn)一步小型化邁進(jìn)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文光器將單個(gè)點(diǎn)狀激光或十字激光投影至物體表面，提取出光斑中心位置，三角測(cè)量解算出單點(diǎn)深度信息。線結(jié)構(gòu)光與點(diǎn)結(jié)構(gòu)光類似，其區(qū)別是投影為一條激光條紋，測(cè)量范圍更大，信息量更多，目前主要應(yīng)用于工件測(cè)量縫跟蹤等領(lǐng)域。這兩種結(jié)構(gòu)光測(cè)量方案的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算量小、測(cè)量精度高、設(shè)備簡(jiǎn)單，但是其測(cè)量范圍小、測(cè)量速度慢的缺點(diǎn)極大限制了這兩種方案用，而面結(jié)構(gòu)光的出現(xiàn)很好地解決了這些問(wèn)題。面結(jié)構(gòu)光與其他兩類結(jié)構(gòu)本質(zhì)區(qū)別是投影圖案的復(fù)雜性，它可以將具有特定編碼的結(jié)構(gòu)光投影到物面，通過(guò)相應(yīng)的解碼算法計(jì)算出物體表面的三維信息，具有實(shí)時(shí)性好、測(cè)圍大、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域，市場(chǎng)前景廣闊。經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，結(jié)構(gòu)光編碼已經(jīng)發(fā)展出直接編碼、時(shí)間編碼、空碼以及時(shí)空混合編碼等多種編碼方式，不同方案對(duì)測(cè)量速度、測(cè)量精度各重，需要針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的編碼方案。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文配效率，Wong 等人提出了分層投影的直接灰度編碼方案，包第一級(jí)投影圖案為高對(duì)比度的圓形特征點(diǎn)，分布稀疏用于大離散分布的網(wǎng)格條紋，數(shù)量遠(yuǎn)多于以一級(jí)征點(diǎn)，可以根據(jù)一；第三級(jí)為連續(xù)灰度的直接編碼特征，在每對(duì)相鄰二級(jí)豎條成鋸齒狀周期排布。通過(guò)三級(jí)特征點(diǎn)匹配可以大大減少匹配，編碼圖案如圖 1-3 所示，其中左圖包含前兩級(jí)特征點(diǎn)，右

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