激光三維傳感器的標定靶設計及標定方法研究

應用物理學論文編號:WLX001 論文字數:17599,頁數:44   有開題報告

目  錄

 第一章  緒論 1
1.1 三維數字化及其實現方法概述 1
 1.1.1 三維數字化 1
 1.1.2 三維數字化的實現方法 1
 1.1.3 國內外發展現狀 2
1.2 激光三維傳感器標定技術概述 2
 1.2.1 攝像機標定技術概述 3
 1.2.2 激光三維傳感器標定概述 4
1.3 本課題的背景和論文的主要工作 5
第二章  激光三維傳感器的數學模型 7
2.1 激光三角法基本原理 7
2.2 線結構光三維傳感器的數學模型 8
 2.2.1 線結構光傳感器的理想線性模型 8
 2.2.2 線結構光傳感器的實際非線性模型 12
2.3 本章小結 13
第三章  足部三維掃描儀的標定 14
3.1 攝像機內參數的標定 14
 3.1.1 棋盤格靶標的設計與制作 14
 3.1.2 角點檢測及排序算法 15
 3.1.3 攝像機內參數求解 18
 3.1.4 角點檢測結果評價 20
3.2 系統線性標定 21
 3.2.1 系統標定靶的設計思想 22
 3.2.2 采用34細絲標定靶獲得標定點對 23
 3.2.3 利用攝像機內參數校正鏡頭畸變 24
 3.2.4 畸變校正后的線性標定 26
 3.2.5 標定結果的線性度分析 27
3.3 本章小結 28
第四章  系統掃描實驗及精度驗證 29
4.1 系統的恢復與完善 29
4.2 掃描實驗及掃描精度分析與驗證 30
4.3 本章小結 34
第五章  總結與展望 35
5.1 工作總結 35
5.2 后續工作展望 35
參考文獻 36
外文資料
 中文譯文
 致謝

 第一章  緒論 1
1.1 三維數字化及其實現方法概述 1
 1.1.1 三維數字化 1
 1.1.2 三維數字化的實現方法 1
 1.1.3 國內外發展現狀 2
1.2 激光三維傳感器標定技術概述 2
 1.2.1 攝像機標定技術概述 3
 1.2.2 激光三維傳感器標定概述 4
1.3 本課題的背景和論文的主要工作 5
第二章  激光三維傳感器的數學模型 7
2.1 激光三角法基本原理 7
2.2 線結構光三維傳感器的數學模型 8
 2.2.1 線結構光傳感器的理想線性模型 8
 2.2.2 線結構光傳感器的實際非線性模型 12
2.3 本章小結 13
第三章  足部三維掃描儀的標定 14
3.1 攝像機內參數的標定 14
 3.1.1 棋盤格靶標的設計與制作 14
 3.1.2 角點檢測及排序算法 15
 3.1.3 攝像機內參數求解 18
 3.1.4 角點檢測結果評價 20
3.2 系統線性標定 21
 3.2.1 系統標定靶的設計思想 22
 3.2.2 采用34細絲標定靶獲得標定點對 23
 3.2.3 利用攝像機內參數校正鏡頭畸變 24
 3.2.4 畸變校正后的線性標定 26
 3.2.5 標定結果的線性度分析 27
3.3 本章小結 28
第四章  系統掃描實驗及精度驗證 29
4.1 系統的恢復與完善 29
4.2 掃描實驗及掃描精度分析與驗證 30
4.3 本章小結 34
第五章  總結與展望 35
5.1 工作總結 35
5.2 后續工作展望 35
參考文獻 36
外文資料
 中文譯文
 致謝

摘  要

 基于激光三角原理的結構光三維傳感器具有無接觸、測量速度快、精度高等優點被廣泛應用于三維數字化技術中。對于三維數字化系統來說，現實世界三維信息到計算機虛擬世界的信息轉換的映射關系，是通過標定工作實現的，標定技術是三維數字化技術中最為關鍵的技術。
 本文在分析國內外現狀的基礎上，對三維傳感器的標定技術進行了研究,并給出了線結構光三維傳感器的數學模型。在此基礎上，運用“兩步法”的思想完成了足部三維掃描儀的標定工作。最后給系統嵌入標定結果并對金屬標準塊進行了掃描實驗，通過測量精度分析驗證了標定理論的正確性。
 主要工作及創新點如下：
 1、完善了足部掃描儀，設計、加工了電氣控制柜。
 2、通過兩個步驟對足部掃描儀進行了系統標定。首先改進了黑白棋盤格角點檢測及排序算法，運用張氏攝像機標定方法求取了攝像機內參數及鏡頭畸變系數。在此基礎上，校正了實際圖像坐標。接著通過細絲標定靶建立了理想圖像坐標與世界坐標的線性變換關系。
 3、給系統嵌入了新的標定參數，進行了對標準金屬塊的掃描實驗。分析了掃描測量精度，驗證了標定理論的可行性。
 
關鍵詞：線結構光；三維傳感器模型；標定靶；標定技術
ABSTRACT

 Based on optical triangulation principle,3D sensor based on structure-light has many special characteristics such as non-contact, high efficiency, good precision, which enable it is widely applied in the field of 3D digitization technique. In 3D digitization system, the mapping relationship between real-world 3D information and computer virtual world information is derived by calibration. Calibration technique is the most important technique of 3D digitization technique.
 Based on the detailed analysis of present research status, study has been carried out on calibration technique of 3D sensor and mathematical model of 3D sensor based on structure-light is presented in detail. Then, the calibration work of foot 3D scanner is carried out with the “two step” method. Finally the foot scanning system is embedded with the calibrated results, and the scanning experiment on the standard metal gauge is performed to verify the correctness of the calibration theory by analyzing the measuring precision.
 The main study and innovation are as follows:
 1、The foot 3D scanner is improved by designing and manufacturing the electric control cabinet.
 2、The foot 3D scanner is calibrated through two process. First, the detecting algorithm and the sorting algorithm of the corner point of black-white chessboard are improved, then the intrinsic parameters and lens distortion co-efficiency of the camera are solved by Zhang's camera calibration method. Basing on these, the real image coordinate is corrected. Then the linear transformation relation between the ideal image coordinate and the global coordinate is set up by a filament calibration target.
 3、The new calibrated parameter is embedded in the system, and the scanning experiment on standard metal gauge is performed. The correctness of the calibration theory is verified by analyzing the measuring precision.
 
 Key words: Linear structure-light; 3D sensor model; Calibration target; Calibration technology