基于彩色纠错编码的结构光三维测量精度提高方法研究

The contradiction between measurement efficiency and accuracy is the main problem in getting profile with large scale and complicated contour. The color coded structure light measurement is a suitable technology with high efficiency. However, the measurement accuracy of color coded structured light does not meet the requirement of high accuracy. Aiming at the problem, the reliability of color coding method, the influence of chromatic aberration in system and the improvement of image quality will be studied. The research on a new solution, which introducing a cross check error-correcting codes into color coded pattern, will increases the reliability of color code pattern by correcting the errors in decoding results. The study on the transfer law of chromatic aberration in the structured light system will be carried out according to the chromatic aberration model of lens. On this basis, a new chromatic aberration model for structured light system will be built. After calibrating the model, the error caused by chromatic aberration is supposed to be compensated iteratively. The droplet is always smooth under the influence of surface tension. A new filter for reducing image noise is proposed according to the mechanism of the surface tension. The filter is hopeful to enhance the characteristics because surface tension can reduce the surface area of droplet. The above research will lay a foundation for solving the problem of high speed and high accuracy measurement and further promote the application of color coded structured light.

测量效率与测量精度是大尺寸复杂曲面轮廓测量中的主要矛盾，彩色编码结构光三维测量技术是解决高效测量问题的较好方案，但该方法测量精度仍较低。为了提高其测量精度，本课题分别从彩色编码可靠性、系统色差对测量精度的影响和图像质量改善三个方面开展工作。研究纠错编码以交叉校验方式引入彩色编码图案中的新理论，实现高效的误码纠正，提高编码的可靠性。根据光学镜头的色差模型，探究色差在系统中的传递规律，结合结构光系统的结构参数提出整个系统的色差专用模型，解决缺乏结构光系统色差精准模型的问题，对其标定后，使用迭代补偿方法消除色差对测量精度的影响。以液滴呈现光滑状态为启发，依据表面张力的作用机理，研究结构光图像滤波新方法，降低图像噪声对测量精度的影响；由于表面张力有收缩液滴表面的作用，因此同时有望增强条纹等特征。上述研究能为解决大尺寸复杂曲面的高效高精度测量问题奠定基础，也可推进彩色编码结构光的工业应用。

测量效率与测量精度是大尺寸复杂曲面轮廓测量中的主要矛盾，彩色编码结构光三维测量技术是解决高效测量问题的较好方案，但该方法测量精度仍较低。为了在保证效率的同时提高测量精度，本课题分别从彩色编码可靠性、系统色差对测量精度的影响和图像质量改善三个方面开展了研究工作。.对结构光信道从统计学角度进行了分析，结果显示结构光系统信道具有无记忆性，状态的转移概率恒定性，状态变量有限性，与通信信道具有相似性。对通信系统中常用的几种纠错编码进行了对比分析，利用卷积码设计了结构光编码图案的方案，在保证效率的同时提高了其可靠性。并针对常见误码类型设计了基于极大似然估计译码方法的纠错方案，实现高效、可靠的彩色结构光编解码以保证系统测量的可靠性，解决了任意位置一位误码的纠错。.消色差投影仪和相机镜头残留的色像差仍然会严重影响结构光三维测量精度。针对此问题，课题组向高精度标定板投射不同颜色图案，进行拍摄。使用图像处理算法对特征点进行定位，进而分析投影仪与相机的色像差分布规律。结合分布规律建立了一种彩色编码结构光系统中光学系统LCA补偿模型，并提出了一套色差的补偿方案。仿真与实验均表明，补偿后的三维点云测量精度得到有效提高。.为了进一步提高系统的测量精度，分别从条纹图像质量评价和针对条纹图像的滤波器设计两个方面开展了研究。利用条纹的偏度系数和信噪比来评价条纹图像的质量，根据评价结果，可自动识别和消除重大误差数据。此外，根据表面张力作用机理，设计了一种针对结构光条纹图案的滤波方法。.最后，项目设计并搭建了一套结构光测量系统，该系统可实现同步数据采集。