（光学工程专业论文）三维形貌测量及显示技术研究.pdf

摘要 随着现代检测技术的进步，三维测量技术逐步成为人们的研究重点，特别是随着激 光技术、计算机技术，以及图像处理技术等高新技术的发展，使得光学式非接触三维测 量技术成为可能并得到广泛的应用，其中以结构光投影为代表的三维形貌光学测量技术 被认为是最具有发展前途的三维形貌测量方法。本文研究的光学三维测量系统可进一步 扩展三维光学测量仪器的测量应用，具有一定的实用意义和明显的学术意义以及社会价 值。 本论文第二章主要介绍了光栅投影三维形貌测量技术的基本原理，阐述了基于相移 的三维形貌测量法的原理和相位解调方法，其中着重分析了相位测量轮廓术( p m p ) ，并 介绍了相位展开的基本原理。第三章对三维物体形貌测量的相移法进行了理论分析和模 拟实验，并对几种典型相移三维形貌测量方法在计算速度和测量误差等方面进行了分 析。第四章主要介绍了基于光栅投影的三维形貌测量系统的硬件设计和软件设计，给出 了根据图像进行物体三维形貌恢复的初步结果。第五章介绍了绘制三维图形所需的相关 技术，阐述了o p e n g l 编程技术与环境，并利用v c + + 语言开发了三维图形绘制软件， 实现了三维图形的显示。相应的软件可以实现材质选择、观察角度变化、三维图形的缩 放和导出三维形貌高度值等功能。 本论文主要有以下创新点： 1 对几种典型相移三维形貌测量方法在计算速度和测量误差等方面进行了分析，这 种对三维形貌测量方法的有效性、实用性分析对测量技术的仪器化具有重要意义。 2 提出了一种三维形貌测量一体化系统，该系统的结构光栅产生与投影控制设计和 图像采集与分析由单一的计算机实现，达到了测量系统结构简单、操作简便、小型化且 低成本的目的，同时提高了测量系统的可靠性。 3 使用v i s u a lc + + 编制了使用相位轮廓术实现物体三维尺度测量的实用程序，该程 序操作简便，达到预期设计目的，为实现实用的测量仪器奠定了基础。 4 用o p e n g l ，即w i n d o w s 系统提供的开放图形库进行三维测量结构的显示，使三 维物体观察更直观。 关键词：三维形貌测量光栅投影相位轮廓术相移o p e n g l a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ni n d u s t r i a l ，t h ed e v e l o p m e n to ft h r e e d i m e n s i o n ( 3 一d ) m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sv a l u e d w i t hl a s e rt e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y ，s u c ha s i m a g ep r o c e s s i n ga n dh i g h - t e c hd e v e l o p m e n t ，o p t i c a ln o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ei s w i d e l yu s e d e s p e c i a l l yt h e3 - dt o p o g r a p h ym e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a sp r o g r e s s e dg r e a t l y w h i c hi sr e p r e s e n t e db yf r i n g ep r o j e c t i o na n dr e g a r d e da st h em o s tp r o m i s i n gm e t h o d t h e 3 - do p t i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e mr e s e a r c h e db yt h i sp a p e rp r o v i d e sg r e a tc o n v e n i e n c et o f u r t h e rf o r t h e p r o d u c t i o na n dl i v e l i h o o da n de x p a n d st h ef i e l d o ft h e3 - do p t i c a l m e a s u r e m e n te q u i p m e n t ，w i t ham o r ee x t e n s i v ea n do b v i o u sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e ，a c a d e m i c s i g n i f i c a n c ea n ds o c i a lv a l u e s c h a p t e rt w oo ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cp r i n c i p l eo f3 一dp r o f i l em e a s u r e m e n t b a s e do ng r a t i n gp r o j e c t i o n , t h eb a s i ct h e o r yo fw h i c hb a s e do np h a s e - s h i f ta n dp h a s e u n w r a p p i n gm e t h o da r ed i s c u s s e d ，w h e r ep h a s em e a s u r i n gp r o f i l o m e t r ya n dt h ep r i n c i p l eo f p h a s eu n w r a p p i n ga r ee s p e c i a l l ya n a l y z e d c h a p t e rt h r e em a k e sac o m p u t e rs i m u l a t e d e x p e r i m e n t t os e v e r a lt y p i c a lp h a s e - s h i f tm e t h o d s ，a n a l y z et h ec a l c u l a t i n gr a t ea n dm e a s u r e e r r o r si nt h e o r ya n ds i m u l a t e di ne x p e r i m e n t c h a p t e rf o u rb e g i n st od e s c r i b eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g nf o r3 一dp r o f i l em e a s u r e m e n tb a s e do ng r a t i n gp r o j e c t i o n p r e l i m i n a r yr e s u l t o ft h er e c o n s t r u c t e do b j e c ti sg i v e n c h a p t e rf i v ei n t r o d u c e st h er e l e v a n tt e c h n o l o g yo f r e n d e r i n g3 一dg r a p h i c s e s p e c i a l l yd e s c r i b et h eo p e n g lp r o g r a m m e dt e c h n o l o g ya n d e n v i r o n m e n t u s i n gv c + + d e v e l o p a3 dg r a p h i c sr e n d e r i n gs o f t w a r e w h i c hr e a l i z e st h e3 一d g r a p h i c sd i s p l a y ，m a t e r i a ls e l e c t i o n ，o b s e r v a t i o nf r o md i f f e r e n ta n g l e s ，t h ee n l a r g ea n dr e d u c e ， d e r i v i n gt h eh e i g h td a t aa n d s oo n t h i sp a p e rm a i n l yh a st h ef o l l o w i n gi n n o v a t i o n s ： 1 t os e v e r a lt y p i c a lp h a s e s h i f tm e t h o d s ，a n a l y z et h ec a l c u l a t i n gr a t ea n dm e a s u r ee r r o r s i n t h e o r ya n ds i m u l a t e di ne x p e r i m e n t t h ec o n c l u s i o ng i v e ni si m p o r t a n tb e c a u s eo fi t s e f f e c t i v e n e s si nc a l c u l a t i n g ，p r a c t i c a l i t yi nu s ea n da u t o m a t i cm e a s u r ef o rt h e3 一dp r o f i l e m e a s u r e m e n t 2 s y s t e mu s e sas i n g l ec o m p u t e rt oa c h i e v eg r a t i n gp r o j e c t i o na n di m a g ea c q u i s i t i o n c o n t r o l l i n gi n t e g r a t i o n ，w h i c hr e a l i z e st h ep u r p o s eo fs i m p l es y s t e m ，o p e r a t i o ne a s i l y ，s m a l l ， l o w c o s ta n di m p r o v e st h er e l i a b i l i t yo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e m 3 u s ev c + + t ow r i t eap r o g r a m w h i c hu s ep h a s em e a s u r i n gp r o f i l o m e t r yt om a k e3 - d p r o f i l em e a s u r e m e n t t h i sp r o g r a mo p e r a t e se a s i l y a c h i e v e st h ed e s i r e dd e s i g np u r p o s ea n d l a i daf o u n d a t i o nf o rt h ee f f e c t i v eu s eo fi n s t r u m e n t s 4 u s eo p e n g lt od i s p l a y3 一dg r a p h i c s w h i c hm a k e so b s e r v a t i o nm o r ev i s u a l k e y w o r d s ：3 - dp r o f i l em e a s u r e m e n t ，g r a t i n gp r o j e c t i o n ，p h a s em e a s u r i n gp r o f i l o m e t r y ， p h a s e s h i f t ，o p e n g l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗堡墨太堂或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 肖健 签字日期： 瑚多年 月垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗堡墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗堡兰太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 汽名芝 导师签名： 1 、曼 签字日期： 矽了年 月 r 日 签字日期：矿7 年，月垆 日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 人类生活在一个三维的世界中，这一事实促使人们不断地探索并发明了各种记录、 测量方法和技术来获得三维现实世界的立体信息。在三维信息记录方面主要表现在绘 画、雕刻、照相、影视、激光全息等；在测量方面出现了各种长度、角度测量工具及相 应的测量方法。随着现代科学研究内容的深入和工业生产技术水平的提高，过去传统的 测量内容和测量方式己经不能满足实际需求，人们j 下在探索新的测量方式，以实现传统 的测量方式所不能达到的测量目的。随着光学技术、电子技术和信息技术的发展，使人 们的这一愿望有了实现的可能，也使物体表面三维形貌测量正成为国内外科学前沿研究 的热点。物体表面三维形貌测量在视觉目标的自动尺寸测量，几何形态特征识别、物理 与机械变化过程自动观测等场合具有重要应用，是现代非接触光电测量手段急需解决的 基础问题。物体表面三维形貌测量问题的有效解决，在以三维形貌为特征的产品检测、 安全检查、过程分析与记录等方面具有重要意义。 1 2 三维形貌测量技术概论 1 - 2 1 三维形貌测量技术 物体表面三维形貌测量可分为接触式和非接触式两类。 接触式表面形貌测量技术采用触针测量物体表面轮廓，该技术发展较早，且长期以 来局限于二维检测。接触式测量法的典型代表是坐标测量机。随着物体表面形貌测量要 求的提高和精密及超精密加工技术的需要，通过在传统的二维触针式轮廓仪基础上增加 一维横向的移动而实现了三维测量。接触式测量方法测量精度较高、量程大、测量结果 稳定可靠、重复性好，此外它还可以作为其他形貌测量技术的比对方法，进行设备校准。 但是该方法也有其难以克服的缺点： ( 1 ) 由于测头与测件相接触造成的测头变形和磨损，使仪器在使用一段时间后测量 精度下降； ( 2 ) 测头为了保证耐磨性和刚性而不能做得非常细小尖锐，如果测头头部曲率半径 大于被测表面上微观凹坑的半径必然造成该处测量数据的偏差； ( 3 ) 为使测头不至于很快磨损，测头的硬度一般都很高，因此该方法不适于精密零 件及软质表面的测量。 非接触式的三维形貌检测技术可以避免接触式测量所遇到的困难。非接触式测量技 第一章绪论 术有：微波技术、超声技术、电场技术和光学测量技术。在绝大部分现代测量中，非接 触测量都是采用光学测量技术。现代光学测量其最显著的特点是将传统光学计量技术与 信息光学、信息处理技术相结合，充分利用了现代信息处理技术的优势和成果。 传统的光学测量是以人眼目测为基础的，而现代光学测量都采用了光电转换技术实 现测量的，现代光学测量方法测量准确且易于实现自动测量。主要的光学三维测量方法 有相移干涉法、激光全息法、光学散斑法、光扫描法、激光光触针法、离焦检测法、光 探针干涉法、干涉显微法、快速表面测量法、飞行时间法、扫描隧道显微镜法、原子力 显微镜法等多种。这些非接触测量方法的共同特点是通过将表面轮廓的高度信息转换为 光、声、电等易于判别的被测信号，从而达到测量的目的。 光学式三维形貌测量技术以其测量速度快、分辨率高、非接触、适应性强、自动化 程度高、成本低廉等优点，在三维形貌测量领域占据重要地位。该技术在逆向工程、计 算机辅助设计、数控加工技术、工业快速成型、产品质量检测、人体测量、医学诊断、 以及建筑、桥梁、隧道等大型基础设施检测等诸多领域获得了广泛的应用。图1 1 给出 了三维测量分类示意图。 1 2 2 光学三维形貌测量方法 图1 1 三维坐标测量方法 光学三维形貌测量是指用光学的手段获得物体三维空间信息的方法和技术，目前主 要是指获得物体表面三维空间形状信息的方法和技术，亦称光学三维传感术。 随着计 算机性能的不断增强、数字图像处理技术的迅速发展，激光技术和c c d 技术不断的成 熟和广泛应用，光学三维传感在最近二三十年取得了长足的进度，并逐步的从实验室走 向实际应用。 从技术上看，光学三维形貌测量方法可分为两大类：主动式光学三维形貌测量方法 和被动式光学三维形貌测量方法。前者是指对被测物体投射特定的光，使之被物体调制， 再经过解调得到被测物体的三维信息；后者则不需要额外的光源，在自然光照明下通过 特定的技术来得到物体的三维信息。主动式光学三维形貌测量方法有时间飞行法、结构 光法和数字全息法等。被动式光学三维形貌测量方法有双眼立体视觉系统和多眼立体视 觉系统等。 1 飞行时间法 第一章绪论 飞行时间法的原理是基于测量激光或其他光源脉冲光束的飞行时间进行点位测量。 在测量过程中，脉冲激光源的一路信号经光学系统扫描物体并经光电传感获得该信号， 另一路参考脉冲穿过光纤也被传感器接收，两路光存在时间差，该两脉冲之间时间差可 转换成距离。飞行时间法典型的分辨率在l m m 左右，采用由二极管激光器发出的亚微 秒脉冲和高分辨率设备，可以获得亚毫米级的分辨率。其原理如图1 2 所示1 1 。 图1 2 飞行时间法的原理图 2 结构光法 结构光法是8 0 年代发展起来的直接获取三维图像的方法，其基本思想是利用结构 光投影的几何信息来求得物体的三维信息，通过向物体投射各种结构光，如：点、单线、 多线、单圆、网格、颜色编码条纹等【2 】，在物体上形成图案并由摄像机摄取后，由根据 三角法和传感器结构参数进行计算图像像素光强之间的关系，得到物体表面的三维坐标 值。如图1 3 所示，结构光三维形貌测量方法是基于三角法原理，目标物( 被测物体) 、 投影点、观测点在空间成三角关系。当基准光栅条纹投射到目标物表面时，由于物体表 面凹凸不平，条纹发生了畸变，这种畸变是由于投影的光栅条纹受物体表面形状调制所 致，因此它包含了物体表面形状的三维信息。只要能建立起反映畸变条纹与物体表面形 状之间对应关系的数学模型，就可以从畸变后的条纹状况信息推断出物体表面形状的三 维信息。 图1 3 结构光法原理图 第一章绪论 基于结构光的三维形貌测量方法可分为点结构光法【3 1 、线结构光法【4 】、多线结构光 法【5 1 、编码结构光法【6 】和彩色结构光法【7 j 等。编码结构光法中的相位编码可以扩展成为 基于相位测量的光栅投影方法，如：莫尔轮廓术、傅立叶变换轮廓术和相移轮廓术等。 由以上原理可知，图1 3 所示系统必须包括以下功能：向被测物体投射结构光条纹； 读入被测物体图像数据；分析读入的图像，结合其它测量参数，计算出三维物体外形参 数。其总体流程如图1 4 所示： 图1 4 结构光法总体流程图 用结构光方法实现的物体三维形貌测量在对物体三维信息提取中占有重要地位。它 以其大量程、大视场、较高精度及条纹信息提取简单等特点，在计算机辅助设计与制造、 机器人视觉及工业检测等方面有广泛的应用前景。 结构光三维形貌测量方法的不足之处在于它存在遮挡问题。3 6 0 度多视场复合数据 配准技术可能会解决这一问题瞄j 。 3 数字全息法【9 】 随着光学全息技术、计算机技术的迅速发展以及图像获取器件性能的不断提高，数 字全息法在对物体表面微观形貌的重构中发挥了重要作用。其基本过程为：采用激光照 射待测样品产生全息图，利用c c d 记录全息图并以数字方式存入计算机，然后在计算 机内模拟全息图的再现过程得到以层析方式显示的三维物场，进而对三维物场进行定量 分析、测量和三维形貌测量。再现图的强度信息表示了物体表面的灰度分布，而相位信 息则表示了物体的形状信息。该方法信息获取速度快、分辨率高，但测量范围受光学口 径和c c d 器件的分辨率影响很大。数字全息法的分辨率理论上可达到纳米量级。 4 立体视觉法 立体视觉法最基本的是双目立体视觉。双目成像采用视觉原理来获得同一场景的2 幅不同图像。通过对物体上同一点在2 幅图像上的2 个像点的匹配和检测，可以得到该 点的坐标信息。重构原理如图1 5 所示i l 。 设摄像机基线长为b ，视差定义为d = i 异一只i ，其中曰、最为空间点z e ( x ，y ，z ) 在 2 像面上的投影点，则由几何关系可得z = b f d 。计算出物点的深度坐标后，其它2 个坐标可以通过简单的几何透视关系得出。双目视觉成像原理简单，但由于需要在两幅 图像中寻找对定点的匹配，实际计算过程较为复杂。 第一章绪论 左焦 图1 5 立体视觉法的原理图 1 3 基于结构光的三维形貌测量 y 利用结构光方法实现的三维形貌测量技术应用可广泛应用于自动加工、高速在线检 测、质量控制、c a d c a m 、医学诊断、航空航天、汽车制造、实物仿形、服装加工、 鞋模制造等领域，是反向工程和计算机视觉中的重要组成部分。目前，很多的复杂曲面， 如：水轮机叶片、飞机壳体、大型船体、汽车和摩托车壳体等形状的设计和加工精度直 接影响到它们在水中和空气中的摩擦，但是其外形难以测量。又如飞机、轮船的螺旋桨， 其曲面的设计、加工精度也将影响到其效率。还有许多模具，其设计质量和加工精度直 接影响产品的质量。传统的接触式方法测量速度低，不适于曲面的快速测量与重构，因 而，快速、无破坏、高精度及自动化的重构与测量方法成为迫切需要解决的问题。 基于结构光的三维形貌测量方法以其固有的非接触性、高精度、易于实现等优点， 近年来受到越来越多的重视。目前，国外发达国家，如：日本、德国、英国、美国等对 这方面进行了较多的研究，且有实用系统出现。相应的系统能够重构出各种不同大小、 复杂形面的物体的三维坐标。在国内，天津大学、清华大学、东南大学、浙江大学等很 多大学对这种三维形貌测量的方法都有着深入的研究，积累了大量的理论和实践经验。 1 4 本论文主要内容 由于结构光投影法具有检测过程完全非接触、数据空间分辨率高、一次性瞬间投影 直接实现三维空间物体形状检测和获取三维信息的特点，且成本低，便于实际应用，从 而具有较高研究价值和发展前景，因此本课题把结构光投影三维成像及物体重建作为研 究方向。希望通过本课题的研究，寻找出一种利用光栅投影成像和计算机图像处理技术， 能够实现对三维物体空间形状进行快速检测和重建的算法，并在此基础上对三维物体的 显示技术进行探讨，为构建整个快速实用的三维物体形貌测量系统提供理论与实践依 据。本研究完成的工作如下： ( 1 ) 在查阅三维形貌测量和结构光相位测量的相关文献基础上，系统总结了结构光 第一章绪论 相位测量方法的国内外动态发展； ( 2 ) 对光栅相位测量方法进行实验技术研究，设计出适合三维形貌测量的计算机视 觉系统，研究了适合测量要求的图像处理技术； ( 3 ) 对光栅相位测量方法的测量误差进行了详细的理论分析，总结各种误差产生的 原因及实验现象，并找出相应的消除和抑制误差的措施； ( 4 ) 设计实验，包括：试件制造，光路图设计，计算机视觉系统设计，实验过程设 计； ( 5 ) 按照前述理论及设计完成实验，获取数据，标定被测物高度值； ( 6 ) 分析误差，并绘制物体的形貌图像； ( 7 ) 实现了物体形貌重建与显示。 除了本章外，其它各章具体内容安排如下： 第二章，主要介绍了光栅投影三维形貌测量技术的基本原理，阐述了基于相移的三 维形貌测量法的原理和相位解调方法，其中着重分析了相位测量轮廓术( p m p ) ，并介绍 了相位展开的基本原理。 第三章，对三维物体形貌的相移法进行了理论与模拟实验，并给出了三步相移、四 步相移和五步相移法相位公式、测量模拟、计算速度和测量误差分析，这种对三维形貌 测量方法的有效性、实用性分析对该测量技术的仪器化具有重要意义。 第四章，叙述了基于光栅投影的三维形貌测量系统的硬件设计和软件设计、测量对 象系统参数设计，以及图像采集、处理和分析的整个过程，给出了根据图像进行物体三 维形貌恢复的初步结果。最后对整个测量过程中的误差来源进行了分析。 第五章，从基于o p e n g l 的三维图形绘制出发，介绍了绘制三维图形所需的相关技 术，阐述了o p e n g l 编程技术与环境，并利用v c + + 语言开发了三维图形绘制软件，实 现了三维图形的显示，以及选择材质、多角度观察三维图形、三维图形的缩放和导出三 维图形高度值等功能。 第六章，对所做工作进行了总结，提出了有待进一步完善的工作。 第二章基于结构光的三维形貌测量基础理论 第二章基于结构光的三维形貌测量基础理论 结构光法是以三角法原理为基础的光栅投影测量方法，是目前发展较为成熟、应用 较为广泛的三维形貌测量方法之一。根据结构化光源的光强分布模式不同，该方法可分 为：点结构光法、线结构光法、多线结构光法、编码结构光法和彩色结构光法等等。当 使用点结构光进行三维形貌测量时，需要逐点扫描物体表面，故该方法测量时间长；线 结构光扫描相对于光点扫描，扫描速度较快，但仍需要进行一维扫描；相对点结构光和 线结构光扫描，采用编码结构光扫描的方法可快速实现全场测量。编码结构光法中的相 位编码可以扩展成为基于相位测量的光栅投影方法，如：莫尔轮廓术、傅立叶变换轮廓 术和相移轮廓术等。光栅投影三维轮廓测量就是将光栅图样投影到被测物表面，由摄像 机获取变形的光栅像，再由形变量与高度的关系来确定出轮廓相对参考平面的高度信 息。结构光法是现代先进的光电技术，图像处理与识别技术与计算机技术相结合的产物， 是现代光测力学的又一新进展。其优点有：高分辨率、无破坏、数据获取速度快等。 2 1 光栅投影三维形貌测量方法 光栅投影三维形貌测量方法的基础是空间几何关系，也就是光源、被测物体和观察 点三者之间的三角形关系。根据具体测量方式的不同，这种三角计算方式又可分为两类： 直接三角法和位相测量法。 2 1 1 直接三角法 0 图2 1 直接三角法 直接三角法的基本原理如图2 1 所示。激光器发出的光照射到参考平面上，部分反 射光通过透镜组成像在光敏面上。当被测物轮廓高度发生变化时，物点位置变换引起像 第二章基丁结构光的三维形貌测量基础理论 点位置的变化。由像点变化可求得被测物体高度的变化，即相对参考面的高度值。被测 点高度满足公式如下： 拈嗡辎等l + ( 2 g ) 【幻) ( 2 1 ) 当激光器投射的光点扩展成为光条时，就构成光切法；当多个相同的光条同时投射 时，即构成光栅投影法；当投射的光条在时间或空间进行编码时，构成编码图像投影法。 在光栅投影中应用三角原理求轮廓高度时，关键是通过分析光强分布规律，准确找到条 纹中心对条纹中心。该方法原理简单、速度快及不易受干扰的影响，主要缺点是测量精 度不高、不能实现全场测量。 2 1 2 基于相位的三维形貌测量法 相位法是利用光学投影仪将光栅投影到被测物体表面，光栅的相位被物体高度调制 形成变形光栅，物体的高度信息包含在变形光栅的相位信息中。因此，只要求出变形光 栅与参考光栅之间的相位差，就可以从中提取出物体的高度信息。 这里提到了三种光栅：投影光栅、参考光栅和变形光栅。它们的含义分别为：投影 光栅是指从投影仪中投射出来的光栅条纹；参考光栅是指投影光栅投射到参考平面上形 成的光栅条纹；变形光栅是指投影光栅投射到物体表面形成的光栅条纹。 相位测量法包括：莫尔轮廓术【l l 】，傅罩叶变换轮廓术【1 2 - 博1 ( f t p ) ，相干雷达技术【1 9 】， 相位测量轮廓术【2 0 _ 2 3 1 ( p m p ) ，空间位相检测( s p d ) ，其中p m p 和f t p 是两种重要的 采用条纹投影、基于相位测量的光学三维传感方法，这两种方法各有其优缺点及适用范 围。p m p 方法实现了点对点求解初位相，避免了物体表面反射率不均匀引起的误差， 其测量精度可高达到几十分之一到百分之一个等效波长。但p m p 需要精密的相移装置 和正弦性良好的投影光栅，相移不准和投影光场的非j 下弦性都会引入测量误差。f t p 方 法只需要采集一帧或两帧条纹图，测量速度快，因此适用于在线测量，但f t p 需要保 证采集条纹图的各级频谱之间不出现混叠现象，从而限制了测量范围，且测量精度相对 较低一些。 相位法测量系统是典型的光、机、电一体化系统，由硬件和软件两大部分组成。图 2 2 为相位法测量系统构成示意图，由投影、成像和数据获取与处理三大部分组成。测 量过程为：( 1 ) 由投影系统投出相移正弦光栅，成像于待测物体表面；( 2 ) 成像系统拍摄 被光栅照明的待测表面；( 3 ) 数据获取及处理系统采集相移图像序列，根据相移原理从 图像序列中计算得到物体表面截断的相位分布，再通过相位展开算法将截断相位展开为 连续相位，最后根据一定的算法计算得到物体表面的三维形貌。系统的关键技术包括： 相移面结构光的产生、连续相位获得、三维形貌计算等。 第二二章基丁结构光的三维形貌测量基础理论 投影系统 成像系统 数据蘧职及 处理系统 图2 2 相位测量轮廓术的系统构成 2 1 3 相位法三维形貌测量原理 待 测 表 面 相位法三维形貌测量系统中的投影系统有两种形式，一种是远心投影系统，它遵循 的是正投影( o r t h o g r p a h i cp r o j i e c t i o n ) 规律，投出光栅的等相位面互相平行，并且相邻等 相位面间的相位差恒定。另一种是发散投影系统，它遵循的是透视投影( p e r s p e c t i v e p r o j f e c t i o n ) 规律，投出光栅的等相位面在空间交于同一直线。这两种投影方式，相位高 度转换关系有所不同。 1 远心投影系统高度测量原理 c8a0 参考平面 图2 3 远心投影系统高度测量原理图 采用远心投影的相位法三维形貌测量系统见图2 3 。投影在参考平面上的j 下弦条纹 是等周期分布的，其周期为p o ，这时在参考平面上的相位分布矽( 工，y ) 是坐标x 的线性 函数，记为： 第二章基于结构光的三维形貌测量基础理论 如川地鲁x ( 2 2 ) 以参考平面上o 点为原点，参考平面上c 点对应c c d 探测器上d 。，d 。点的相位 为： 嘶川= 等d c ( 2 3 ) 只 当存在物体时，被n - - 维物体表面d 点也与c c d 上d 。对应，d c 点测得的相位等 于参考平而卜a 点的相付。有： 九= 丸音洲 显然： a c = ( p o 2 万) 痧c o 则d 点相对于参考平面的高度h 为： i l l ： 丝里 当物体尺寸比探测器到物体表面距离小得多时秒接近于0 ，式( 2 5 ) 可简化为： 办= 丽a c = ( p o l t g 臼) ( 2 万) 定义系统参数丸为等效波长，有： ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 丸= p o t g o ( 2 8 ) 一个等效波长正好等于引起2 万相位变化量的高度差，允是p m p 中一个重要的参 数。实际上，结构照明型条纹图可以等效为物体面形作为物波波面，而照明方向作为参 考波面传播方向的结构光条纹。 2 发散投影系统高度测量原理 常用的发散投影三维形貌测量系统如图2 4 中，曰和最是投影系统的入瞳和出瞳， ，和，是成像系统的入瞳和出瞳。成像光轴垂直于参考平面，并与投影光轴相交于参考 平面上的o 点。当j 下弦光栅模板被投影到参考平面上时，在参考平面上沿x 方向的位 相分布矽( 五y ) 就不再是x 的线性函数，但是参考平面上每一点相对于参考点o 的相位 值是唯一的和单调变化的。因此可以根据系统的结构参数建立参考平面坐标( 工，y ) 与位 相分布( 五y ) 之间的映射关系，并将这一映射关系以查找表的形式存储在计算机中备 用。映射表的建立也可以通过对一基准平面的实测确定。在测量三维物体表面时，探测 器c c d 上的d c 点可以测量出物面上d 点的位相中九，该点位相等于参考平面上a 点 的位相矽。；另一方面由c c d 上同一点d 。在参考平面上所对应的位相已经以映射表的 形式存储在计算机中，这意味着距离o c 是已知的，参考平面上位置a 的确定可以先在 第二章基丁结构光的三维形貌测量基础理论 映射表中查找与丸最接近的两个相位值谚和谚+ l ， 方法，就可以得到距离o a 。这样c a = o c o a ， 算出物面d 点的高度h 为： h ：a c ( z , a 一) l + a c a 使谚九丸。，然后通过线性插值的 由相似三角形鹋d 如和a , t d c 可以计 r - 一探澳j 平面 1 2 _ 图2 4 发散投影系统高度测量原理图 ( 2 9 ) 式中d 和是如图2 4 中所示的系统结构的两个参数，在大多数实际应用中a c s e t t i n g s ，然后单击l i n k 标签。在”o b j e c t l i b r a r ym o d u l e s ”选项中的开始处( 在 k e r n e l 3 2 1 i b 前) 增加o p e n g l 3 2 1 i bg l u 3 2 1 i b 和g l a u x 1 i b 后单击o k 按钮。编译程 序时，在预编译头文件中也要加入两个库函数，o p e n g l 3 2 1 i b 、g l u 3 2 1 i b ，如果还需要使 用辅助库中所定义的函数，则需要再加入g l a u x 1 i b 库函数。 # i n c l u d e o p e n g l 3 2 库的头文件 # i n c l u d e g l u 3 2 库的头文件 # i n c l u d e g l a u x 库的头文件 ( 1 ) p r e c r e a t e w i n d o w 为了使用o p e n g l 绘制，必须先在有关窗1 3 的客户区中进行o p e n g l 初始化，即需 要重载消息句柄p r e c r e a t e w i n d o w 。 ( 2 ) o n c r e a t e 为了使o p e n g l 能在绘图表面( 窗口或位图) 上绘制图象，必须先对绘图表面进行 初始化，既通过对象素格式的描述( 分配并填充p e l f o r m a r 【) e s c r i p t o r 结构) 、 选择( 通过c h o o s e p i x e l f o r m a t 函数) 和设置( 通过s e t p i x e l f o r m a t 函数) ，规定绘图表 面的某些属性。因为只有在o p e n g l 环境中，o p e n g l 命令才能被接受并执行，所以我 们必须创建o p e n g l 绘制环境( 由函数w g l c r e a t c o n t e x t 完成) 。 ( 3 ) o n s i z e 窗口大小变动时会触发消息句柄，o n s i z e 在此函数中，我们的目的是建立3 d o p e n g l 坐标与2 d 屏幕坐标之间的映射，体现为做三件事： 获取当前的绘制环境。这个使用w g l m a k e c u r r e n t 函数来完成，函数如下所示， w g l m a k e c u r r e n t ( h d c ，m _ h r c ) ； 设置映射方式。o p e n g l 大量使用矩阵运算，因为场地景到屏幕的变换，以及3 d 图形的3 d 旋转、平移和缩放都是采用矩阵变换实现的。在o n s i z e 函数中，我们使用 投影栈来设置我们观察物体的方法，会用下面几个函数，如下所示： g l f l o a tf a s p e c t = ( g l f l o a o c x ( g l f l o a t ) c y ； g l m a t r i x m o d e ( g l - p r o j e c t i o n ) ；指定所使用的矩阵栈( 这里是透视矩阵) g l l o a d l d e n t i t y 0 ； n 清空矩阵栈 酉u p e r s p e c t i v e ( 4 5 0 ，f a s p e c t ，1 0 ，1 0 0 ) ；n 设定用户的可见区域 g l v i e w p o r t ( 0 ，0 ，c x ，c y ) ； 设置在用户区上的绘制区域即显示范围 g l m a t r i x m o d e ( g l _ m o d e l v i e w ) ； 定义矩阵为模型观察矩阵 激活当前绘制环境。在使用多个绘制环境的情况下，应调用w g l m a k e c u r r e n t 来激 活当前绘制环境： w g l m a k e c u r r e n t ( n u l l , n u l l ) ； ( 4 ) o n d r a w 该函数负责绘制3 d 图形，包括：调用w g l m a k e c u r r e n t 使绘制环境成为当前的；调 用o p e n g l 命令绘制场景等。 经过上述系列步骤以后，o p e n g l 的绘图环境就已经设置完成。 第五章基丁o p e n g l 的三维形貌显示方法 5 4 2 三维图形绘制程序的实现 设置完成o p e n g l 的绘图环境后，就可以在v c + 十中使用o p e n g l 三维函数库进行 图形的绘制。这里足根据实验中经m a t l a b 恢复的三维物体保存成的b m p 图进行三维绘 制的。图5 2 、图53 即经m a t l a b 恢复的三维物体半球。 目5 2 恢复后的三维物体图5 3 恢复后的三维物体俯视幽 下面就开始介绍基于o p e n g l 的= 维图形绘制程序的实现方法。程序在v c + + 中 实现。 1 功能 以o p e n g l 为核心采用v c h 语言编程，拟实现的功能是用户点击程序中的显示 按钮后，界面上会弹出个打开对话框，用户选择要打开的b m p 图。程序将自动绘制 出该b m p 图的三维圈形，井允许用户从多个角度观察三维图形，改变图形的大小，改 变图形的颜色发亮度，以及导出所绘制图形的各点高度值数据，该高度值数据“t 比被保 存为c x i 文件等功能。 2 流程图 用户选择要显示的b m p 图后，程序会载入b m p 圈，然后调用r g b 2 g r a y 函数先将 其转换成灰度信息，转换后的灰度信鼠将被存入数组p g r a y d a t a ，最后调用显示部分的 代码进行绘制。具体的程序流程如图5 4 所示。其中，第一步o p e n g l 初始化包括获取 设备环境、设氍像素格式等；在l n i t s c e n e ( ) 函数中，设置背景颜色，激活光照和光源， 激活消隐计算等：在o n s i z e 函数重设置投影方式、视景体的大小和视口的大小等。最 后一步，调用o n d r a w 实现三维图形的绘制，这里使用的是点绘制方式g lp o i n t s ， 调用g l v e r t e x 3 f ( x ，弘z ) 函数实现每个点的绘制。( x ，m 刁即为每点的三维坐标。 田 第五章基丁o p e n g l 的三维形貌显示方法 调用r g b 2 g r a y 函数把含有高度 信息的b m p 阿转换成灰度信息 l 在o n d r a wr 根据转换后的灰度 信息实现：维图形的绘制 削5 4 维形貌显示样斤：流挂图 3 界面设计 程序在v c _ 卜卜中设计，运行界面如图5 6 所示。图5 6 中显示的就是台有高度信息 的位图( 图55 ) 所对应的三维轮廓显示图。图57 ，58 为缩放后的图形。图5 9 为从 不同角度观察图形。图51 0 是改变了光照模式后的图形。图5l l 是导出的该三维物体 高度值数据的t x t 文件。 削5 5 岔有高度信息的b m p 削 里丑芏苎土! l 竺鱼! 盟三丝坐型竺至互堡 2 嘲5 6 返干_ 界面 幽57 放人后的划形幽5 8 缩小后的图形 旧59 任意舶度脱察幽彤 里互垩差王塑竺鱼! 堕三堡丝塑墨变塑堡 幽5l l 导山的模拟物体一# 球的高度数据 图5 1 2 和5 1 3 是根据第四章中实际恢复的图像用o p e n g l 进行的三维轮廓显示图 匿 ( a ) 刚51 2 ( a ) 宵自高度t i 息的 棱柱b m p 削 m ) ( b ) j jo p e n g l 显不的恢复后的 棱柱= 维轮廓 a_-l，ba 25，d 第五章基丁o p e n g l 的三维形貌显示方法 a ) 图513 ( a ) 含有高度信息的不规则物体b m p 图 ( b ) 【b 1 用o p e n g l 显示恢复后的不规则物体三维轮廓 4 相关模块设训： f 1 1 初始化部分代码： g i c l e a r c o l o r ( 00 0 0 e0o o o r , o0 0 0 10 0 ；背景色为黑色 g l e n a b l e ( g l l l i g h t 0 ) ； g lu g h t