基于面结构光的机械工件三维扫描系统研究与设计

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1、硕士学位论文基于面结构光的机械工件三维扫描系统研究与设计作者姓名林嘉鑫学科专业控制理论与控制工程指导教师哀薇副教授所在学院自动化科学与工程学院论文提交日期2018年4月ResearchandDesignof3DScanningSystemforMechanicalWorkpieceBasedonSurfaceStructuredLightADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate:LinJiaXinSupervisor:ViceProf.AiWeiSouthChinaUniversityofTechnolo

2、gyGuangzhou,China分类号：TP391学校代号：10561学号：201520112352华南理工大学硕士学位论文基于面结构光的机械工件三维扫描系统研究与设计作者姓名：林嘉鑫指导教师姓名、职称：哀薇副教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：控制理论与控制工程研究方向：智能控制与智能检测论文提交日期：2018年4月23日论文答辩日期：2018年6月4日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：史步海委员：黄道平孙宗海李向阳哀薇摘要随着工业现代化的发展，制造业水平得到大幅提升，制造业对于空间三维信息处理的需求成为趋势。结构光三维扫描

3、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应用，是最具有发展和应用潜力的非接触式三维扫描方法。论文对市场上的三维扫描设备及技术进行了大量调研，结合项目中对机械工件抓取操作的具体要求，并兼顾技术上的可行性、成本等其他方面的要求，采用了基于面结构光的三维扫描技术，研究并设计了机械工件三维扫描原型系统。该系统在投影仪和照相机标定准确的情况下，能够在较短的时间内生成被扫描物体表面的三维点云。论文的主要研究和设计工作如下：(1)分析了该三维扫描系统的总体框架设计，主要包括硬件平台构成和软件系统功能设计,并对

4、照相机拍摄-投影仪投射的同步功能设计了可行的方法；(2)对系统中照相机和投影仪的数学模型进行了详细分析，并设计了两种求解照相机和投影仪内外部参数的标定策略：传统标定法和基于角点邻域单应性矩阵的标定优化方法，后者在保证标定精度的情况下稳定性更强，操作更简便；(3)分析比较了自然二进制编码、100%灰度正反格雷码、相移法的编码方法，并设计了100%灰度正反格雷码结合相移法的编码解码策略，该策略综合了前者编码范围广和后者分辨率高的优点。同时在解码中设计了对扫描有效区域提取及亚像素级边界检测的有效方法，提高了解码准确性；(4)基于三角测量原理，设计了两种点云生成策略，分别与

5、只投射纵向编码条纹图案和投射横向纵向编码条纹图案的两种编码策略相对应。两种点云生成策略各有优势，前者省去了横向编码条纹图案的投射时间，后者则免去了迭代计算。同时设计了相关的点云处理方法，对扫描出的机械工件原始点云进行了初步处理；(5)研究了该三维扫描系统的性能参数和扫描精度，并分析了影响扫描精度的关键因素。同时在理论上提出了三维扫描系统在点云生成策略上的优化方法。论文在Ubuntu操作系统下对三维扫描系统涉及的各功能模块进行了独立的C++代码实现，并集成为一个软件系统，在搭建好的硬件平台上稳定运行，对机械工件进行扫描获得了不错的扫描效果。关键字：三维扫描；面结构光；

6、标定策略；编码解码策略；点云生成策略；点云处理AbstractWiththedevelopmentoftheindustrialmodernization,thelevelofmanufacturinghasbeengreatlyimproved,andthedemandforspatial3Dinformationprocessinginthemanufacturingindustryhasbecomeatrend.Becauseofitsnon-contact,highspeed,widemeasurementrange,andhighmeasurementac

7、curacy,thestructuredlight3Dscanningmethodhasbeenwidelyusedinindustrialproduction,culturalrelicsprotection,reverseengineering,medicaldiagnosis,andotherfields.Itisthemostpromisingnon-contact3Dscanningmethodwithpotentialfordevelopmentandapplication.Thepaperconductedalargenumberofinvesti