摘要
经典成像系统仅记录目标的二维信息，对目标三维信息进行定量重建则需要三维测量技术。条纹投影轮廓术是主动式光学三维测量的代表性技术之一。条纹投影轮廓术具有诸多优点，相关的理论和方法已经较为完善，然而在进行特定需求的三维测量时，其在复杂表面适应性、信息获取和处理效率、数据完整性等方面需要进一步提升。光场成像技术作为成像领域的新兴技术，能够在记录光强二维空间分布的同时记录光线的方向信息，突破了经典成像的局限性，为光学三维测量提供了新思路。结合条纹投影的主动式光场三维测量技术，以相位作为光场数据的标签，能够有效地实现无纹理表面的光场三维重建。本论文的主要工作包括: 结合条纹投影，将相位编码引入光场，利用数字投影仪和光场相机搭建主动式光场三维测量系统;应用极平面图分析经过相位编码的光场数据，实现了无纹理表面的主动式光场深度估计。 但分析深度重建结果可知，光场三维重建的可靠性和精度会受到光场相机主镜头畸变的显著影响。本论文设计了一种光场相机的标定方法，成功消除了主镜头畸变，实现了较高精度的三维重建。所提出的光场相机标定方法对器件的需求较为简单，对推动光场三维重建的实用化具有积极意义。 光场相机的主镜头畸变是光场三维重建的一大误差源，然而主镜头畸变与微透镜阵列之间存在复杂耦合，难以进行显式建模。本文从广义成像模型出发，将光场相机视为实现像素与光线映射的黑盒系统，在此基础上提出了光场相机光线模型及其标定方法。用一个平面显示器作为含有密集特征点的标靶，多次改变相机与显示器相对姿态，使光场相机每个像素的出射光线与靶面有多个交点。将光场相机的中心视点成像近似为经典相机模型，估计标靶平面姿态信息，进而计算交点坐标，最后对交点坐标进行直线拟合，获得不受主镜头畸变影响的光场相机光线模型。 以光场相机孔径外任一平面作为基准，基于光线方程计算该平面上的交点分布，并消除其作不均匀性，重构不受主镜头畸变影响的光场分布。基于无畸变光场构建以相位为标签的极平面图，估计极平面图中相位同名点所对应的斜率，结合已知的标靶姿态建立斜率一深度映射，完成光场相机标定。基于上述标定结果重构目标表面的深度信息，进一步结合光线方程实现目标表面形貌的三维重建。
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