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摘要随着工业现代化进程的发展，制造业水平得到大幅提升，制造业对于空间三维信息的获取成为发展的趋势。结构光三维测量方法因其非接触性、速度快、测量范围广、测量精度高的特点，在工业生产、文物保护、逆向工程、医疗诊断等领域得到了广泛的应用，是最具有发展和应用潜力的非接触式三维测量方法。
本文设计和实现了两套结构光三维重构系统。第一套结构光三维重构系统是基于局部单应性原理的系统标定和采用完整正反格雷码编码策略实现的，第二套结构光三维重构系统是基于径向基础矩阵分解的系统自标定和采用完整正反格雷码结合八步相移法的编码策略实现的。研究对象主要是复杂金属工件和柔性袋装米。重点研究了系统标定、编码解码策略、解码有效区域提取、点云感兴趣区域提取、点云去噪、精简、拼接、局部点云补齐、柔性袋装米的体积和表面积计算等方面内容。
首先介绍结构光三维重构系统组成，推导计算被测物体空间三维坐标的过程，重点研究系统标定，实验比较常用系统标定方法与本文实现的基于局部单应性原理的系统标定和基于径向基础矩阵分解的系统自标定方法的效果。在编码解码策略方面，重点研究本文采用的完整正反格雷码法和完整正反格雷码法结合八步相移法。在提取解码有效区域方面，重点研究基于光分量判别的有效区域提取策略。在三维点云获取方面，通过两套系统分别获取复杂金属工件点云，进行效果对比。在点云处理方面，提出将三维点云通过透视投影变换到二维图像空间，在二维图像空间选取感兴趣区域，相应地对原三维点云进行操作。为了获取复杂金属工件整体模型，本文通过多视拼接方法从多个不同角度获取的三维点云进行拼接，得到复杂金属工件整体点云。本文提出局部点云补齐的方法对柔性袋装米三维点云进行处理，获得柔性袋装米整体点云。最后讨论各种点云体积和表面积算法，分别计算柔性袋装米三维点云体积和表面积，选取最佳体积和表面积算法，设计实验进一步验证稳定性。通过实验证明本文结构光三维重构系统测量精度高、稳定性强、操作灵活、成本低廉，能够提供较为全面的信息给堆垛机器人。
关键词：移动；面扫描；大物体；三维重构
主要研究内容本课题主要任务是研究基于结构光对复杂金属工件和柔性袋装米的三维点云获取，计算柔性袋装米三维点云的体积和表面积。本文主要研究内容有：
()标定方法的研究。
系统的标定主要包括摄像机和投影仪标定两个部分，建立了系统数学模型，并对标定过程进行详细分析和公式推导，研究分析本文标定方法的原理，对传统标定方法与本文实现的两种标定方法的标定效果进行对比。
(2)编码解码策略设计。
采用完整正反格雷码和完整正反格雷码结合八步相移法策略分别对被测物体进行编码，并通过相应的解码方法对编码条纹图案进行解码。根据光分量分布设计有效区域判断策略，提高了解码正确率和系统的抗干扰能力。
(3)点云获取实现和点云处理。
点云获取实现包括编码生成、同步采集、系统标定和解码等程序的编写。点云处理包括点云感兴趣区域提取、降噪、精简、拼接、局部点云补齐等操作。本文提出和实现了将三维点云映射到二维图像坐标系后进行感兴趣区域提取，然后根据点云在二维图像中的处理情况，相应地对原三维点云数据进行操作。最后，将具有对称结构的被测物体（柔性袋装米）进行局部点云补齐操作，即首先旋转摄像机坐标系与柔性袋装米世界坐标系补齐，然后对部分点云进行对称操作，组合成能大体描述整个柔性袋装米表面轮廓的点云。
(4)分析讨论了计算点云体积和表面积的方法。
对柔性袋装米点云体积和表面积进行计算，对比参考数据，选择计算柔性袋装米点云体积和表面积的最佳方法，设计实验验证方法的稳定性。
目录摘要
第一章绪论
.研究背景及意义
.2三维测量方法研究现状
.2.接触式三维测量方法
.2.2非接触式三维测量方法
.2.3结构光技术发展现状
.3主要研究内容
第二章结构光三维测量系统原理与标定
2.系统组成及原理
2..系统组成
2..2系统原理
2.2常用系统模型和标定方法
2.2.摄像机与投影仪数学模型
2.2.2摄像机标定方法
2.2.3常用的摄像机标定方法与实验
2.2.4投影仪标定方法
2.2.5常用的投影仪标定方法与实验
2.3基于局部单应性原理的系统标定
2.3.标定原理与过程
2.3.2标定实验与结果
2.4基于径向基础矩阵分解的自标定
2.4.标定原理与过程
2.4.2标定实验与结果
2.5本章小结
第三章编码解码与解码有效区域提取
3.完整正反格雷码法
3..编码
3..2解码
3.2完整正反格雷码结合相移法
3.2.编码
3.2.2解码
3.3解码有效区域提取
3.3.剔除死角区域
3.3.2基于光分量判别的有效区域提取
3.4本章小结
第四章三维点云获取与处理
4.硬件系统
4.2软件流程
4.3编码图像采集
4.4三维点云获取实例
4.4.复杂金属工件点云获取
4.4.2柔性袋装米点云获取
4.5点云处理
4.5.提取点云感兴趣区域
4.5.2点云去噪
4.5.3点云精简
4.5.4多视点云拼接
4.5.5局部点云补齐
4.6本章小结
第五章柔性袋装米体积与表面积计算
5.柔性袋装米参考尺寸
5.2点云体积计算
5.2.体积算法
5.2.2柔性袋装米体积计算
5.3表面积计算
5.3.表面积算法
5.3.2柔性袋装米表面积计算
5.4本章小结
结论与展望
参考文献
攻读硕士学位期间取得的研究成果
致谢
结论与展望本论文设计了两套结构光三维重构系统，首先深入研究测量系统标定方法，对常用标定方法进行实验，与本文基于局部单应性的系统标定方法和基于径向基础矩阵分解的系统自标定进行效果对比。然后对于编码策略、解码方法、基于光分量判别的有效区域提取进行深入研究。在点云处理方面，对快速提取点云感兴趣区域、点云去噪、点云精简、多视点云拼接、局部点云补齐等进行研究，提出将三维点云通过透视投影至二维图像，然后选取感兴趣区域，根据在二维图像中选择情况，相应地对原三维点云进行相关处理的方法。最后，通过本文提出的局部点云补齐的方法对柔性袋装米点云进行坐标转换和对称操作，快速获取柔性袋装米整体三维点云，介绍和分析不同点云体积和表面积算法，通过实验计算柔性袋装米点云的体积和表面积，选取最佳体积和表面积算法，并且设计实验进行验证。论文主要工作及研究成果如下：
()搭建结构光三维重构系统硬件平台，通过该系统获取能大体反应复杂金属工件和柔性袋装米的点云，之后分析研究了对于柔性袋装米点云的体积和表面积计算方法，最终选取整体凸包法对柔性袋装米点云体积和表面积进行计算，设计实验验证了整体凸包计算柔性袋装米点云体积和表面积的稳定性。
(2)根据三维重构系统数学模型设计合适的系统标定方法，分析研究了常用的系统标定方法和基于单应性矩阵的系统标定和基于径向基础矩阵分解的系统自标定方法，实验对比不同标定方法效果，体现设计的两个系统的标定方法精度高、速度快、稳定性强的特点。
(3)详细研究了本文采用的完整正反格雷码编解码策略和完整正反格雷码编解码策略结合八步相移策略，最后结合解码有效区域提取方法，对被测物体进行三维点云获取。
(4)对三维重构系统获取的点云数据进行提取感兴趣区域、点云去噪、点云精简等处理。本文提出将三维点云数据通过透视投影至二维图像，在二维图像中选取感兴趣区域，之后相应地对原三维点云数据进行处理，实验结果表明提出的方法能够快速提取目标点云。通过实验对比了多种点云精简算法效果，选择其中效果最好算法，对三维点云进行精简处理。本文提出了对于具有对称结构的被测物体的点云采用局部点云补齐的方法获取被测物体完整点云数据。
(5)设计点云获取软件界面，将算法集成到一个软件运行环境下进行，操作简便、自动化程度高、可移植性强，可视化程度高。
课题采用结构光三维重构系统实现了对复杂金属工件点云的获取和整体模型的重构。柔性袋装米点云的获取和柔性袋装米体积和表面积计算。但仍存在部分问题有待进一步研究和解决：
()在硬件方面，可以考虑提高投影仪和摄像机分辨率，改善图案投影和图像采集质量，提高标定板精度，选用合适的镜头。
(2)在软件方面，可以考虑设计或者组合多种编码解码策略达到更好的效果，本文采用的编码解码策略对静态物体测量取得较好效果，但是对于不能进行动态测量，使用领域受到一定限制，测量过程中的实时性有待提高。
(3)在对柔性袋装米点云表面积、体积计算、点云效果显示均是基于Matlab平台进行，为了增加整体软件的交互性和兼容性，需要进一步将这些功能集成，同一软件平台，提高一体化程度。
(4)为了实现将结构光三维重构系统安装至堆垛机器人上进行实际应用的目的，需要对硬件进行升级，采用体积小、功率高、可进行编码投影的图像投影设备，而且需要确定堆垛机器人动作和结构光三维重构系统的相对位姿关系。
作者简介作者姓名：武彦林
申请学位：工学硕士
毕业院校：华南理工大学
所在学院：机械与汽车工程学院
学科专业：测试计量技术及仪器
研究方向：制造过程在线检测技术与故障诊断
指导教师：全燕鸣教授
论文日期：年6月
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