高精度光栅投影三维测量系统申报材料.doc

编号：_2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项申报材料项目名称：高精度光栅投影三维测量系统 申报学院：电子工程与自动化学院 项目申报成员：侯启家 周世雄 范坚杰 易华升 田维杰 吕品高 刘军 二一四年十一月A、申报者情况申 报 者 情 况姓名侯启家性别男出生年月199307现学历 A A大学本科 B硕士研究生申报单位电子工程与自动化学院专业智能科学与技术学号1200850107学制4 年作品全称高精度光栅投影三维测量系统合 作 者 情 况姓名性别学号电话所在单位备注周世雄男120086013013471250152电子工程与自动化学院有无合作者请在此说明： 有 无范坚杰男130081041115676371407电子工程与自动化学院田维杰男130036022318677381173计算机科学与技术学院易华升男130024013013152530250信息与通信学院刘军男130081032313635176162电子工程与自动化学院吕品高男130083022713152632338电子工程与自动化学院说明：1、必须有申报者本人按要求填写，申报者情况栏内必须填写个人作品的第一作者（承担申报作品60%以上的工作者）或集体作品填写一文学历最高的代表。2、本部分中的各学院签章视为对申报者情况的确认。B、科技发明制作 申报作品情况作品全称高精度光栅投影三维测量系统作品分类（在选项上画）A. 信息技术(包括计算机.电信.通信.电子等)B. 机械与控制(包括机械、仪器仪表、自动化控制、工程、交通、建筑等)C.数理(包括数学、物理、地球与空间科学等)D生命科学(包括生物、食品等)E.能源化工(包括能源、材料、生态、环保等)F.外观设计(包括电脑艺术设计、机械CAD等)作品设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标1,作品设计目的：通过光栅投影法，实现高精度，高速的非接触式三维测量系统.2,基本思路和创新点：利用投影仪将光栅条纹投射到被测物体表面，通过图像采集设备捕获干涉条纹图像，根据光学关系建立数学模型，得到干涉条纹相位与物体形貌的关系进而求解三维信息,与传统测量系统具有非接触高精度等创新。3,技术关键：(1) 数字干涉条纹图像的高速采集与处理(2) 投影光栅的自动校正(3) 高精度干涉条纹相位解调算法(4) 启发式智能折叠相位展开算法4,主要技术指标：通过系统仿真和实际实验，达到高精度的测量，保证系统的有效性和可靠性。 (1)高精度:通过数字图像处理技术,实现频率可调的数字光栅,通过投影技术生成数字干涉条纹,可以达到栅距为=0.80cm，从而保证系统测量精度高于2.0mm。(2)高速：利用高速的数字相机采集，捕获投影光栅图案，经过设计高性能的算法上优化，实现在1s内完成图像的采集，在0.5s内完成相位的解调以及折叠相位的展开，并在1s内完成被测物体三维形貌的生成。作品的科学性先进性(必须说明与现有技术相比.该作品是否有突出的实质性技术特点和显著进步。请提供技术性说明和参考文献资料)1,科学性：(1)光学系统结构:相机采集图像是三维图像映射到二维图像，并不能得到精确的物体表面三维形状，正是加入了光栅这一维的信息，才可以建立在点线面光栅摄像机被测物体之间的三角关系。(2)高精度相位解调：采用相移法获得相位主值，经过相位展开后获得完整的相位值，根据高度和相位的对应关系，计算出被测物体三维坐标信息,再通过折叠相位和相位解调算法得到图片各点对应完整的相位，最后由自适应滤波技术重建形貌图片。 (3)启发式相位展开算法：系统程序在算法上采用了最优算法，实现了从最初仅能测试简单的光栅平面图形，到能够测量人体面型、石膏头像以及铜板表面的完整系统的跨越。2,先进性：(1) 传统的投影系统主要有罗奇光栅离焦投影技术、利用声光效应控制光波进行干涉、麦克尔逊干涉等。它们通过光学系统直接产生正弦条纹，其装置相对来说比较复杂较难实现，要获得正弦性、对比度各方面都好的光栅条纹，需要投入很高的成本。在相移方面，这些系统依靠机械移动实现相移，不仅对实验设备要求高，而且相移难以达到精确。提高机械相移的精度将付出较大的代价，这限制了相移法的精度。我们的作品采用数字投影仪，数字投影仪通过直接控制投影面上的投影像素单元，即LCD的液晶单元，DLP的数字微镜元件(digital micro-mirror device，DMD)单元，可以方便地实现各种模式的投影光栅，光栅周期、对比度也可以很灵活地加以控制，可以实现自适应测量，大大提高了光栅投影系统的应用范围。 (2)大多数情况下，一台光学三维测量仪每次进行测量时仅能获得单一视角的物面深度分布图，因此该结果并不能反映物体的完整的三维形状信息。本系统测量仪不仅能获得覆盖整个物面的多个单视角测量结果，还能将其通过坐标变换组合拼接得到最终的三维测量结果。且系统运行稳定，具有非接触、高速等特点。 (3)作为高精度高速3D物体形貌还原系统，本系统拥有非常广阔的应用前景，非常符合现在的市场需求。参考文献：1 达飞鹏,盖绍彦著. 光栅投影三维精密测量M.北京:科学出版社,2011:1.2Gary Bradski,Adrian Kaehler著.学习OpencvM.清华大学出版社,2009:93Su X Y, Zhang Q C. Dynamic 3-D shape measurement method: a review. Optics and Lasers in EngineeringJ,2010,48(2):191204.4田爱玲,蒋专德,黄梦涛.基于条纹投影的三维轮廓测量新方法J.西安交通大学学报,20045潘伟,赵毅,阮雪榆.结构光测量中获取高精度相位的新方法J.光学学报,20046盖绍彦,达飞鹏.基于数字投影仪的光栅相位自校正方法J.自动化学报,20087郑东亮,达飞鹏.提高数字光栅投影测量系统精度的gramma校正技术J.光学学报.2011:58周富强,张广军,江洁.空间圆几何参数的非接触高精度测量方法J.仪器仪表学报,20049盖绍彦,达飞鹏.一种新的相位法三维轮廓测量系统模型及其标定方法研究J.自动化学报,200710戴美玲,杨福俊,杜晓磊,何小元.基于单幅彩色正弦光栅投影的三维形貌测量J.光学学报.2011:711李深德,张向利,唐甜,赵江辉.三维光栅位移测量系统的软件设计与实现J.仪器技术与传感器.201412 Jarvis R A.A laser time-of-flight range scanner for robotic vision. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine IntelligenceJ,1983,5(5):505512.13 Yang C W, Huo Y J, Chen Q S, et al. Time-of-flight measurement in self-triggering pulsed laser ranging. Optical Engineering,2005 ,44(3):3420134205.作品所处阶段A实验阶段 B 中试阶段 C 生产阶段 D_(自填) 作品所展示的形式 实物 产品 模型图纸 磁盘现场 演示图片 样品 录像 使用说明及该作品的技术特点和优势,提供该产品的适应范围及推广前景的技术性说明及市场分析和经济效益预测本系统在软硬件设计、图像处理、整体性能、操作方面具有显著的特点和创新。该作品具有如下特点： 1、 非接触式测量与接触式测量相比，本系统满足与被测物体非接触测量的需求，因此能够很好的保护所测物体，不会对被测物体造成任何伤害。除此之外，可通过调节投影仪的投影面积改变投影光栅场的大小，若采用高分辨率的高端投影仪，则可以增大测量范围，特别适用于体积庞大的文物的三维测量工作。2、 高速利用高速的数字相机采集，捕获投影光栅图案，经过设计高性能的算法上优化，实现在1s内完成图像的采集，在0.5s内完成相位的解调以及折叠相位的展开，并在1s内完成被测物体三维形貌的生成。 3、 高精度通过数字图像处理技术,实现频率可调的数字光栅,通过投影技术生成数字干涉条纹,可以达到栅距为=0.80cm，从而保证系统测量精度高于2.0mm。4、 操作方便 本系统是个完整的三维面型重建系统，系统集成了对图像的采集和处理，对于工业相机采集回来的图片，能够自动地的进行三维面型的重建，同时针对本系统设计了比较人性化的操作界面，方便人们对其进行快速和方便的操作。5、 应用前景 （1）三维光学测量在产品检测、汽车、摩托车等造型方面的应用：由于光学测量仪器具有高精度、高速度、范围广、便携式的特点，它毫无悬念地作为首选被应用到了汽车工业的整体设计、覆盖件以及内饰件等制造检测领域。正因为光学检测系统的引入以及其配合了强大的后期处理软件，便使得开发人员大大地缩短了设计开发周期，同时也大大地降低了开发成本。 （2）三维光学测量系统在文物保护方面的应用：三维彩色数字化技术可以在对文物没有任何损害的情况下对其进行三维测量，以便从测量结果中获得文物的三维信息和表面色彩，并且还可以将这些采集回来的数据进行长期的存储，以便日后进行还原工作。 （3）三维光学测量系统在人体、服装等领域的应用：该系统可以实时、快速和全方位的抓取人体的三维图片，并将获取到的图片转化为数据进行保存，这样使得对人体的直接扫描工作变得简单快捷，同时该系统采用光源是普通光，对人体不会有任何伤害。（4）三维光学测试系统在生物标本和医疗的测量应用：伴随着生物工程方面的快速发展以及多学科技术的交叉应用，三维测试系统在生物体重建、器官重建、医学应用等方面正在扮演着一个不可或缺的角色。（5）三维光学测量系统还可以应用于模具和工业产品的设计，测试系统可以对任意摆放的工件进行全方位的测量，同时可以在极短的时间内获得完整的数据，也可以对采集回来的数据进行选择性的过滤以及修改。专利申报情况 提出专利申报申报号_ 申报日期： 年 月 日 已获专利权批准批准号_批准日期： 年 月 日 未提出专利申请说明: 1、必须由申报者本人填写；2、本表可以附有研究报告,并提供图表、曲线、实验数据、原理结构图、外观图(照片),也可以附鉴定证书和应用证书；3、作品分类请按照作品发明或创新点所在类别填表。2015年桂林电子科技大学第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛校内重点项目立项作品说明书目录第一章 概述- 10 -1.1研究背景- 10 -1.2国内外研究现状- 11 -1.3应用前景- 12 -1.4系统架构- 13 -第二章 系统方案及原理- 14 -2.1系统光学结构- 14 -2.2条纹图像处理- 16 -2.3三维坐标信息计算- 17 -第三章 系统特色- 19 -3.1非接触式测量- 19 -3.2高速- 19 -3.3高精度- 19 -3.4便携式、操作方便- 19 -参考文献- 21 -第一章 概述1.1研究背景 近些年来，伴随着计算机，光学和光电子技术的飞速发展，传统计量方法也在发生着巨大的变化，新的三维测量方法也在层出不穷，在众多测量方法当中，光学技术获取被测物体三维信息的技术得到了快速的发展，并且成为了一个热门的研究领域。其中，光学三维测量方法可以大体的分为被动式三维传感技术和主动式三维传感技术，被动式三维测量在没有任何辅助照明装置的情况下，能够直接从二维图像中确定距离信息，得到三维外形，但被动式三维测量精度低，计算量较大，不适合于精度要求特高的场合。主动式三维测量采用结构光的照明方式，可以快速、高精度地获取物体的三维信息，因此获得了非常广泛的研究和应用。其中主动式三维传感测量方法又可以分为时间调制和空间调制两大类，时间调制法主要为飞行时间法，就是通过发射和接收光来测量光在空间的飞行时间转化为光脉冲来确定物体的三维面型，这样的测量防干扰能力差，不适宜高精度测量；空间相位测量则是基于三角原理进行测量的一种方法，它也是目前应用较多的测量方法。这种方法的原理是利用衍射和几何投影的方法，将激光或者白光产生成的栅状分布的光束投射到被测物体上，再用相机进行采集，根据入射角度的不同，光栅在物体表面上将会成为变形的光栅，然后利用这种变化所产生的信息，可以计算出每个坐标点的高度值，这些数据的集合则是物体的三维尺寸。在竞争这么激烈的市场、产品需求如此多样化的今天，三维光学测试仪将会被广泛的应用于产品的检测、汽车表面的检测、摩托车造型的设计、玩具的设计和制造、艺术品的保护、动画影视的三维建模、虚拟仪器设计等各种领域。不仅仅如此，同时在建立数字式的博物馆，保护和修复文物和刑事侦查领域也扮演着一个不可或缺的角色，三维光学扫描仪是最新出的产品，它也采用了三维测量技术，在我们现在这个高科技时代，随着人们要求的不断提高，三维重建将会深入人们的生活当中。1.2国内外研究现状本系统通过光栅投影法，利用工业相机和三维面型重建机构，实现一个具有高精度的非接触式高速三维面形测量系统。该方法利用投影仪将光栅条纹投射到被测物体表面，通过图像采集设备捕获条纹图像，根据光栅投影法光路三角关系，建立其数学模型，得到条纹相位与面形的关系。通过求解条纹相位构建三维面部形貌。通过系统仿真和实际实验，验证了本系统的有效性和可靠性。1.2.1国外相关技术的发展在世界范围内，美英德日等发达国家对光学三维测量技术的研究起步较早，但当时在这方面的研究都是接触式的。20世纪60年代，美国加利福尼亚休斯研究室发明了世界上第一台红宝石激光器，激光技术迅速被应用于测量、生物等领域，美国“阿波罗计划”以后，激光技术广泛应用于建筑、桥梁以及汽车等诸多领域的三维测量。20世纪90年代初，英国和意大利的坐标测量仪制造商先后研制出了新一代力位移传感器的扫描测量头，该测头可以连续获得表面的坐标信息，扫描速度可达到8m/min,数字化速度可达到500点/s，精度可达到30微米。最为著名的非接触测量设备要数德国 GOM 公司的 ATOS 系列三维测量仪，该测量仪采用 ATOS 光学测量系统得到测量物体的三维数据，最后建立起多边形网格曲面模型。1.2.2国内相关技术的发展我国在这方面的研究起步比较晚，与国外先进水平有一定的差距，即使是在国内生产条件很高的工厂如上海大众、一汽大众等，也几乎全部进口先进的三维测量仪器设备。另外，现有的三维测量技术对于复杂形面、动态物体以及具有反光表面的物体测量的自适应能力和自动化水平比较低，导致在很多应用领域留下了许多尚未解决的问题。近年来，随着光学技术、微电子技术、传感技术、计算机技术和图像处理技术的不断完善，我国在三维非接触测量工作方面取得了长足发展，对于三维信息的获取基于图像分析的方法。主要应用于卫星遥感和航空测量等领域，2007年11月，“嫦娥一号”探月卫星传回了我国第一张月球表面三维照片，这项任务由卫星携带的三维立体照相系统和激光高度计联合完成。1.3应用前景 （1）三维光学测量在产品检测、汽车、摩托车造型方面的应用，由于光学测量仪器具有高精度、高速度、范围广、便携式的特点，它毫无忧虑的作为首选被应用到了汽车工业的整体设计、覆盖件以及内饰件等制造检测领域，正因为光学检测系统的引入以及配合强大的后处理软件，大大的缩短了设计开发周期，同时也大大的降低了开发成本。 （2）三维光学测量系统在文物保护方面的应用，三维彩色数字化技术可以再对文物无任何损害的情况下对其进行三维测量，并且可以从测量结果中获得文物的三维信息和表面色彩，同时可以将这些采集回来的数据进行长期的存储，以便以后进行还原。 （3）三维光学测量系统在人体、服装等领域的应用，该系统可以快速、实时和全方位的抓取人体的三维图片，可以将其图片转化为数据进行保存，这样使得对人体的直接扫描变得轻易，同时该系统采用光源是普通光，对人体不会有任何伤害。 （4）三维光学测试系统在生物标本和医疗的测量，伴随着生物工程方面的快速的发展以及和多学科技术的交叉应用，三维测试系统在生物体重建、器官重建、医学应用等等方面都已经扮演这一个不可缺的角色了。 （5）三维光学测量系统可以用于模具和工业产品的设计，被测量的工件可以任意摆放，同时测试系统可以对工件进行全方位，多方向的测量，并且可以把采集回来的数据进行随意的过滤以及修改，还可以在极短的时间内获得完整的数据。1.4系统架构1.4.1硬件实现本系统硬件采用普通的PC，投影仪，摄像头三个部件，具体结构如下本系统采用的是投影仪作自适应投影机构的投影方式，外加摄像头采集图像的装置。投影仪将计算机产生的光栅条纹投影到被测物体，通过工业相机采集显示在显示器上，在显示器上能够观察投影光栅与被测物体的形态，通过鼠标可对投影光栅与工业相机的参数进行调节，提供了友好的人机交互，使得操作过程变得简单和方便。整体硬件简单，稳定，体积小，使用方便。第二章 系统方案及原理2.1系统光学结构2.1.1 光栅的获得及光栅自校正本系统采用的是用LCD投影仪作为自适应投影机构的投影方式。LCD投影仪具有体积小、性能稳定、可以用计算机控制自由光栅条纹的亮度、相位、周期和对比度等优点。LCD投影仪通过对投影像素单元的直接设置来实现各种投影, 在理论上可将投影像素单元设置为标准的正弦分布, 以投影出标准的正弦光栅。但是在实际中，影仪在很难投影出标准正弦分布的光栅条纹。一方面是由于LCD投影仪分辨率低，发光不稳定以及背景光强的干扰，另一方面，由于LCD投影仪中投影单元是离散、均匀地分布在投影面上的, 但是投影到空间中的光栅条纹是连续的, 所以存在一个由离散信号转变为连续信号的过程, 这直接导致了计算机对LCD投影仪设置的光栅模式和实际得到的光栅场的差异。为了解决上述问题，本系统采用相位自校正方法，通过计算机预先调整光栅模式，使投影仪投影出的条纹在空间中的正弦性达到最佳。2.1.2 系统光学结构 图2-1图2-1为光栅投影测量系统的光路图，图中被测物体放置在参考面上，轴垂直于纸面，为摄像头镜头的光心，为投影仪镜头的光心，为被测物体上的任意一点，其在参考面上投影为,线段长度为，、点分别是点与两光心连线和参考面的交点，和分别是摄像机光心到参考面、投影装置光心的距离。假设有一光束光栅投射在参考面上的点，放入物体后光束投射在物体表面上的点。从工业相机获得的图像中看到，由于物体高度的变化，即受到了表面的调制，使得光束从点移到新的位置点。点到点的位移包含了点的高度信息h,根据系统光路中的三角关系，可以由点到点的位移得到高度信息h，但必须先知道光栅投影的数学模型。投影到参考面上的光栅为正弦光栅，则原始光栅和变形光栅像上的均匀光栅灰度函数可分别写成 （2-1） （2-2）式（2-1）和（2-2）中，为条纹光强的背景值，为调制强度，表示物体表面的非均匀反射率。2.2条纹图像处理2.2.1 相移法使用工业相机采集四幅带有相移的光栅图像，各图可以分别表示为 （2-3）式中，分别为第幅图画的灰度值，为光栅条纹光强的背景值，I为调制强度，为待求相位场。因此，可以由上式得 （2-4）对上式取反正切函数，可得相位主值 （2-5）式（2-5）就是相移法的基本公式。由式（2-5）求出的与不同,这里的是折叠相位也被称为相位主值，由反正切函数的特性以及式（2-5）中分子、分母的正负，解出的的值域位于区间,因此还要通过相位展开后才能获得完整的相位值。2.2.2 相位展开上述相移法获得相位主值，是相位获取的第一步。下一步，就是由相位主值求取完整相位值的过程，就是解相位，也叫作相位展开、相位解折叠。考虑到三角函数的周期为，因此完整的相位值应为 （2-6）式（2-6）中, 为整数表示点对应的的整数倍。所以由上式可以看出来，求解完整的相位值的关键就是确定2.3三维坐标信息计算相位测量的基本原理为：将产生的标准光栅投影到某个平面时，在这个平面上将会产生均匀分布的光栅条纹，当光栅投影到物体上时，由于物体的表面的高低不同，投射到物体上的光栅条纹将会产生不同程度的变形，随着被测物体表面的高度不同，光栅的相位变化程度也将随着而发生变化，然后我们通过求取相位的差值，就可以得到物体在相应点处的高度，继而获得三维物体的表面轮廓形状。以下为核心公式 图2-2 （2-7）上式就是光栅投影测量的核心公式，也就是高度-相位之间的对应关系。式中为被测物体在被测点的高度。、为系统的参量，是通过系统的标定时得到。则为光栅投影到参考面上的基准相位值，也是通过标定而得到。如果要得到，则需要在系统标定时将标定的工作平面调整到参考平面的位置，也必须满足工业摄像头位置和参考平面所构成的三角关系的条件，通过摄影机获取此时物体的光栅图像，从而解出基准相位值。在测量当中，因为物体高度的调制，获取的光栅图像将会发生畸变，通过这个已经发生畸变的光栅图像，可以用相移法和相位展开了，来解出这时的相位，再将其代入到高度-相位之间的对应关系公式当中，也就是式,就可以获取被测物体在被测点的高度。第三章 系统特色本系统在现实生活中的实际应用，以及在软硬件设计、图像处理、整体性能、操作方面有着显著的特点和创新。3.1非接触式测量与接触式测量相比，本系统能够与被测物体非接触测量，因此能够很好的保护所测物体，不会对被测物体造成任何伤害，除此之外，可通过调节投影仪的投影面积改变投影光栅场的大小，若采用高分辨率的高端投影仪，则可以增大测量范围，特别适用于体积庞大的文物的三维测量。3.2高速利用高速的数字相机采集，捕获投影光栅图案，经过设计高性能的算法上优化，实现在1s内完成图像的采集，在0.5s内完成相位的解调以及折叠相位的展开，并在1s内完成被测物体三维形貌的生成。 3.3高精度 通过数字图像处理技术,实现频率可调的数字光栅,通过投影技术生成数字干涉条纹,可以达到栅距为=0.80cm，从而保证系统测量精度高于2.0mm。3.4便携式、操作方便 目前大多数三维测量产品体积庞大，集成性不高，本作品在技术上加以改进，硬件由PC平台、工业相机、投影仪组成，提高了产品的便携性和集成度，除此之外，本系统是个完整的三维面型重建系统，在系统中已经集成了对图像的采集和处理，对于采集回来的图片，能够自行的进行三维面型的重建，同时本系统设计了比较人性化的界面，方便于人们能够对