摘 要

编码条纹广泛运用于三维扫描、逆向工程和表面质量检测。利用编码条纹投射曲面和三维重构技术，我们开发了一款编码条纹投射曲面的实验系统，该实验系统对于三维重构的研究和教学具有重要意义。本文将以搭建稳定、高效的实验系统为目的，详细阐述实验系统硬件搭建和软件设计。主要的工作、内容和成果如下：

1. 完成了基于编码条纹投射曲面的硬件试验台的设计，并搭建出完整、有效的硬件试验台。
2. 利用VS2013开发环境和C/C 开发出实验操作软件，实现了对相机所采集的图片的特征点的处理，完成了对相机和投影仪的标定。
3. 根据结构光编码的原理，对投影图案进行了去噪、二值化、区域连通统计，完成了对图案的编码与解码。
4. 根据三维重构的原理，完成了对被测物体三维云点的计算。为了能呈现出三维云点，我们将三维云点进行了三维显示。

研究结果表明：编码条纹投射试验台可以根据标定的结果，对投射条纹进行简单，快速的编码与解码，最终完成对被测物体表面空间三维点的计算。

关键词：编码条纹；实验系统；图像处理；三维重构

Abstract

Coding fringes are widely used in 3D scanning, reverse engineering and surface quality testing. Using the coded stripe and the 3D reconstruction technique, we developed an experimental system for coding fringe projection surfaces, which is of great significance for the research and teaching of 3D reconstruction. This paper will describe the experimental system hardware and software design elaborately for the purpose of building a stable and efficient experimental system. The main work, content and results are as follows:

1. Completed the design of the hardware test bench based on the coded fringe projection surface, and built a complete and effective hardware test bed.
2. The use of VS2013 development environment and C / C to develop experimental operating software to achieve the feature points of photos coming from the camera, completed the camera and projector calibration.
3. According to the principle of structured light coding, the projection pattern is denoised, binarized, and the coding and decoding of the pattern are completed.
4. According to the principle of three - dimensional reconstruction, the calculation of the three - dimensional cloud point of the measured object is completed and showed on the screen.

The results show that the coded fringe projection test bed can be used for simple and fast coding and decoding of the projection stripes according to the calibration result.Finally the three - dimensional cloud point can be calculated and showed.

Key Words：Coded stripe; Experimental system; Image processing; 3D reconstruction

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文研究内容 3

1.4 论文组织结构 4

第2章 试验台硬件平台的搭建 5

2.1 硬件的整体框架 5

2.2 硬件的选型 6

2.2.1 投影仪的选型 6

2.2.2 相机的选型 7

2.3 试验台总装 9

第3章 试验台硬件标定与编码测量设计 12

3.1 相机和投影仪的坐标系 12

3.1.1 四大坐标系及相互关系 12

3.1.2 像素坐标与世界坐标之间的转化 14

3.2 相机的标定 16

3.2.1 相机的标定方案设计 16

3.2.2 标定过程的数学计算 17

3.3 投影仪的标定 17

3.4 三维坐标的测量 19

3.4.1 图片的编码与解码 20

3.4.2 三维坐标的计算 21

第4章 试验台三维重构实验与测试 24

4.1 总界面设计 24

4.2 相机标定模块设计 25

4.2.1 读取图片 26

4.2.2 二值化 27

4.2.3 滤波与降噪 27

4.3 编码和解码模块设计 29

4.4 显示 31

第5章 总结与展望 32

5.1 全文总结 32

5.2 研究展望 32

参考文献 33

致谢 36

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

编码条纹投射曲面实验台设计的目的是为了更好的进行三维测量实验，从结构简单的规则物体入手，逐步完成对复杂型面的测量，在该过程中，不断提高测量精度和效率。

利用编码条纹编码被测物体从而测量三维坐标，是一个多学科融合的技术，涉及到光学，计算机图形学，图像处理等多个方面。光学原理是成像和计算三维坐标的基础，而图像处理是该部分的核心。

近年来，在日常生活和工业生产中，已经有越来越多的场景需要用到三维测量。其中，工业生产主要是利用三维测量进行快速的目标识别与提取，精度检测与误差补偿，逆向工程，曲面检测以及大型工程的测量^{[1,2,3,4,5,6]}。文献[4]提出了一种单目三维测量在产品分拣中的应用方法，该方法能简单快速的让机器在杂乱的产品堆中识别出需要分拣的对象，提高工厂的作业效率。而文献[5]则提出了一种在铸件生产制造中，利用三维测量进行快速的精度检测技术。而在一些日常活动中，三维测量的影响逐渐加深。3D电影已经得到了普及，而其核心的技术之一就是生成3D的数据并显示；医院里面对于人体内部器官的检查也广泛的运用了三维成像技术。