伪随机光三维重建设备设计及精度测量(附件)【字数：12443】
摘 要摘 要三维重构技术在逆向工程、工业检测、模式识别等领域扮演着非常重要的角色，基于视觉的光照测量技术作为一种非接触式的测量手段，与传统的三坐标测量机相比，速度快，量程大，结构简单，操作方便。本文基于视觉的测量原理，对光照扫描设备展开具体研究，所获得的成果和内容如下1.在了解现有的扫描设备基础上，以较低成本建立一套结构简单的扫描设备模型，其中包括CCD相机，三脚架，同步电路和计算机等。2.为三维扫描系统选择合适的软件系统。深入学习相机标定技术，为扫描设备编写相应的标定算法，提高伪随机光三维扫描设备的扫描精度。伪随机光三维重建设备对于三维物体坐标的获取和三维模型重构具有重要意义，为下一步工作奠定了基础。关键词伪随机光；三维重建；正面图像；数字图像
目 录
第一章 绪论 1
1.1 三维重构设备的发展及应用 1
1.2 三维测量方法 2
1.3 选题依据及内容 3
1.3.1 选题依据 3
1.3.2 设计内容 4
1.4 本章小结 4
第二章 测量系统的硬件设计 5
2.1 测量系统的结构 5
2.2 系统硬件选择 6
2.2.1 概述 6
2.2.2 CCD相机的选择 7
2.2.3镜头的选择 8
2.2.4同步控制电路的选择 10
2.2.5 其他硬件选择 11
2.3 本章小节 11
第三章 三维重建系统软件算法 13
3.1三维重建系统相机的模型 13
3.1.1世界坐标系，相机坐标系和图像坐标系 13
3.1.2线性相机模型 15
3.1.3非线性相机模型 16
3.2三维重建系统的标定方法 17
3.2.1常用的标定方法 17
3.2.2张氏平面标定法 17
3.2.3优化的标定方法 20
3.3数字图像相关方法 21
3.4像素插值方法 24
3.5本章小结 26
第四章 三维重建系统软件组成及精度测量 27
4. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
1概述 27
4.2标定板的选择 27
4.3标志点的信息获取 28
4.4相机标定 30
4.4.1获取正面图像 31
4.4.2获取模板图像 34
4.5误差检验及分析 35
4.6本章小结 36
结 论 37
致 谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
三维重构设备的发展及应用
三维重构设备是一种测量仪器，其功能是通过一系列相关手段，检测出实际存在的物体模型的物理尺寸，并转换为相应的数值体现在计算机中。这些模型对许多领域的研究、应用都有着很大的帮助。在考古领域[1]中，三维测量技术可以在不损害文物的同时获取其三维坐标，生成并加工出这些文物的数字模型，给研究人员带来了许多便利，也使得这些宝贵的资源通过另一种途径保存了下来。同时这些模型可以供游客观赏和学校教学，为文化遗产的传播提供了重要的媒介。在人体三维重建方面，三维测量技术可以通过摄像头等设备采集人体某一图像[2]，既可以处理、分析这些图像来对来往人员进行登记管理，又可以导入相关软件中进行处理、加工，丰富相关资源库。在车辆管理上，三维重建技术可以识别车牌号，为车辆登记，管理打下基础。在逆向工程技术方面，三维重建设备可以获得不规则形状物体的三维数据[3]，尤其是曲面、凹槽等难以测量的数据，通过Geomagic等逆向工程软件进行三维模型重构，再导入正向建模软件进一步加工处理，得到完善的实物模型。获取物体的立体几何位置数据是逆向工程的第一步，也是非常重要的一步[4]。总之，三维重建技术可以用在各种不同的应用领域，有广泛的前景。
三维重建设备作为一种对物体模型测量的设备，其测量速度较传统的测量设备要快、并且不与被测量物体相接触，避免了对实物的损害，并且测量精度较高，因此越来越多的领域都受益于三维扫描设备。通过三维重构设备对各类模型的扫描，可以得到其三维物理尺寸，扫描所得的数据既可以导入正向建模软件进行测量、修善并送入加工中心或3d打印设备上进行加工制造，又可以导入逆向建模软件中进行三维模型的反求，重新得到实物模型，既缩短了制造周期，又加快了相关产业的发展。同时人们对数字图像、模式识别等领域的进一步研究，也将大大的推动三维测量设备的发展。
三维测量方法
三维测量设备根据是否触碰到被测物体分为接触式和非接触式两种[4]。图11列出了一些常用的三维测量方法。
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图11 常用的三维测量方法及分类
接触式测量设备可以分为三坐标测量机、激光跟踪仪等。三坐标测量机[5]是接触式测量设备的典型代表，如图12所示，其一般是把测头通过磁铁依附在机械臂等较为精密的位移设备上，通过远程控制使测头与物体的表面相接触，利用传感器来获得相应的三维坐标值。三坐标测量机可以测量形状或者结构复杂的物体，操作方便，精度可靠。但其在测量过程必须要接触被测物体，易损坏被测物体，因此难以测量易碎物体。除此之外，三坐标测量机在测量物体时，是通过测头接触物体，所以在测量时需要对测头半径进行补偿，同时测头存在一定的体积，难以测量曲面较密的物体，并且对于体积较大的物体来说测量速度较慢，因此三坐标测量机在测量时还存在许多不足之处。
非接触式设备虽然指不接触物体，但其根据是否向被测物发射信号而分为主动式和被动式两种。声纳测量仪[6]便是主动式三维测量设备的其中一员，其测量原理是向物体发射超声波，利用超声波在测量设备和被测物体之间往返的时间来获取被测物体的三维尺寸坐标。相对于其他测量设备来说，声呐测量仪具有能耗小、测量的距离远等优势，但是该测量方法具有一定的局限性，因为设备所发出的超声波必须指定某一方向，无法测量不同方向的回波，所以对应用环境和被测物体有着一定的要求。
被动式的测量方法一般指在自然条件下获取物体三维尺寸信息。如结构光照三维测量仪[7]便是通过接收来自物体所发出的光，通过对接收的光信息的计算来测量出物体的三维坐标，因此相较于其他测量设备，结构光照三维测量设备测量速度快，适用范围广，不受场景和环境的限制，而且成本低廉，性价比高。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 三维重构设备的发展及应用 1
1.2 三维测量方法 2
1.3 选题依据及内容 3
1.3.1 选题依据 3
1.3.2 设计内容 4
1.4 本章小结 4
第二章 测量系统的硬件设计 5
2.1 测量系统的结构 5
2.2 系统硬件选择 6
2.2.1 概述 6
2.2.2 CCD相机的选择 7
2.2.3镜头的选择 8
2.2.4同步控制电路的选择 10
2.2.5 其他硬件选择 11
2.3 本章小节 11
第三章 三维重建系统软件算法 13
3.1三维重建系统相机的模型 13
3.1.1世界坐标系，相机坐标系和图像坐标系 13
3.1.2线性相机模型 15
3.1.3非线性相机模型 16
3.2三维重建系统的标定方法 17
3.2.1常用的标定方法 17
3.2.2张氏平面标定法 17
3.2.3优化的标定方法 20
3.3数字图像相关方法 21
3.4像素插值方法 24
3.5本章小结 26
第四章 三维重建系统软件组成及精度测量 27
4. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
1概述 27
4.2标定板的选择 27
4.3标志点的信息获取 28
4.4相机标定 30
4.4.1获取正面图像 31
4.4.2获取模板图像 34
4.5误差检验及分析 35
4.6本章小结 36
结 论 37
致 谢 39
参考文献 40
第一章 绪论
三维重构设备的发展及应用
三维重构设备是一种测量仪器，其功能是通过一系列相关手段，检测出实际存在的物体模型的物理尺寸，并转换为相应的数值体现在计算机中。这些模型对许多领域的研究、应用都有着很大的帮助。在考古领域[1]中，三维测量技术可以在不损害文物的同时获取其三维坐标，生成并加工出这些文物的数字模型，给研究人员带来了许多便利，也使得这些宝贵的资源通过另一种途径保存了下来。同时这些模型可以供游客观赏和学校教学，为文化遗产的传播提供了重要的媒介。在人体三维重建方面，三维测量技术可以通过摄像头等设备采集人体某一图像[2]，既可以处理、分析这些图像来对来往人员进行登记管理，又可以导入相关软件中进行处理、加工，丰富相关资源库。在车辆管理上，三维重建技术可以识别车牌号，为车辆登记，管理打下基础。在逆向工程技术方面，三维重建设备可以获得不规则形状物体的三维数据[3]，尤其是曲面、凹槽等难以测量的数据，通过Geomagic等逆向工程软件进行三维模型重构，再导入正向建模软件进一步加工处理，得到完善的实物模型。获取物体的立体几何位置数据是逆向工程的第一步，也是非常重要的一步[4]。总之，三维重建技术可以用在各种不同的应用领域，有广泛的前景。
三维重建设备作为一种对物体模型测量的设备，其测量速度较传统的测量设备要快、并且不与被测量物体相接触，避免了对实物的损害，并且测量精度较高，因此越来越多的领域都受益于三维扫描设备。通过三维重构设备对各类模型的扫描，可以得到其三维物理尺寸，扫描所得的数据既可以导入正向建模软件进行测量、修善并送入加工中心或3d打印设备上进行加工制造，又可以导入逆向建模软件中进行三维模型的反求，重新得到实物模型，既缩短了制造周期，又加快了相关产业的发展。同时人们对数字图像、模式识别等领域的进一步研究，也将大大的推动三维测量设备的发展。
三维测量方法
三维测量设备根据是否触碰到被测物体分为接触式和非接触式两种[4]。图11列出了一些常用的三维测量方法。
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图11 常用的三维测量方法及分类
接触式测量设备可以分为三坐标测量机、激光跟踪仪等。三坐标测量机[5]是接触式测量设备的典型代表，如图12所示，其一般是把测头通过磁铁依附在机械臂等较为精密的位移设备上，通过远程控制使测头与物体的表面相接触，利用传感器来获得相应的三维坐标值。三坐标测量机可以测量形状或者结构复杂的物体，操作方便，精度可靠。但其在测量过程必须要接触被测物体，易损坏被测物体，因此难以测量易碎物体。除此之外，三坐标测量机在测量物体时，是通过测头接触物体，所以在测量时需要对测头半径进行补偿，同时测头存在一定的体积，难以测量曲面较密的物体，并且对于体积较大的物体来说测量速度较慢，因此三坐标测量机在测量时还存在许多不足之处。
非接触式设备虽然指不接触物体，但其根据是否向被测物发射信号而分为主动式和被动式两种。声纳测量仪[6]便是主动式三维测量设备的其中一员，其测量原理是向物体发射超声波，利用超声波在测量设备和被测物体之间往返的时间来获取被测物体的三维尺寸坐标。相对于其他测量设备来说，声呐测量仪具有能耗小、测量的距离远等优势，但是该测量方法具有一定的局限性，因为设备所发出的超声波必须指定某一方向，无法测量不同方向的回波，所以对应用环境和被测物体有着一定的要求。
被动式的测量方法一般指在自然条件下获取物体三维尺寸信息。如结构光照三维测量仪[7]便是通过接收来自物体所发出的光，通过对接收的光信息的计算来测量出物体的三维坐标，因此相较于其他测量设备，结构光照三维测量设备测量速度快，适用范围广，不受场景和环境的限制，而且成本低廉，性价比高。
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