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文档简介

山东大学硕士学位论文 摘要 物体表面三维形貌测量具有十分重要的应用价值,在自动化加工、产品质量 检测、实物仿形、计算机辅助设计、生物医学、机器视觉、艺术雕塑等领域都有 着广泛的应用前景,因此成为当今国内外的热门研究课题。投影栅线法三维形貌 测量做为物体表面三维形貌测量的一种,由于其具有面场数据测量、实时性强、 测量范围广的优点,更是成为三维形貌测量研究中的热点。由于投影栅线法三维 形貌测量中数据点是串行处理的,后续数据点的处理要参照前面数据点的处理结 果,所以很容易造成误差和错误的传播,导致整个测量数据的错误,这是影响投 影栅线法三维形貌测量实用化的一个主要原因。此外如何在不需要苛刻光路条件 的前提下还原出三维坐标数据也是投影栅线法三维形貌测量实用化所需要考虑 的问题。 本课题构建了一套完整的投影栅线法形貌测量系统,包括栅线的投影,变形 栅线图的拍摄、相位去包裹、三维数据的还原及三维物体重建等,并针对影响投 影栅线法形貌测量实用性的几个关键难点问题进行重点研究。本课题取得的主要 研究成果如下: 1根据实际实验所测结果和去包裹过程的单步显示观察,分析了去包裹中“拉 线 错误的主要产生原因:对复杂表面采样( 数据量、采样密度) 不足。“拉 线”的产生使本该连续的相位分布出现跳变,并最终使得所还原的三维数据 出现错误。为解决此问题同时不降低总体测量的分辨率,本文提出了种新 的基于双频光栅投影去包裹的去包裹算法,在实际测量中取得了很好的效 果。 2设计了一种新的系统标定方法,通过标定拍摄摄像机和对一个标准物体的测 量经过软件求解系统各个参数,并依此参数来还原三维坐标。该标定方法不 需要传统方法中对系统摄像机和投影设备的位置耦合性条件要求( 平行性条 件和光轴相交条件) ,对摄像机和投影装置没有位置上的苛刻要求,因此使 系统调节简单方便,提高了测量精度,简化了测量系统结构和测量步骤。实 验结果表明该标定方法,结果准确度达到了测量的要求,是一种可行性很强 山东人学硕上学位论文 的标定方法。 3本课题采用双摄像机拍摄的方法,减少测量盲区,扩大了测量范围。本文讨 论了双摄像机拍摄中测量物体位置以及测量物体表面朝向对测量数据横纵 向分辨率的影响,并给出了测量数据横纵向分辨率调整的具体算法。提出了 改进的数据相加拼接算法,通过采用线性拼接方法,提高了拼接数据的质量。 4编写了完整的三维形貌测量系统软件,测量软件具有实时光栅投影、图像采 集、系统参数求解、三维数据还原显示等功能。软件用c + + 语言编写,对计 算机硬件要求低,使用简单、操作方便,具有很强的实用性和可移植性。 关键词: 投影栅线:双频光栅投影:去包裹:系统标定:数据融合 l l 山东大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h e3 d p r o f il em e a s u r e m e n th a san u m b e ro fa p p li e dv a l u e sw h i c hm a k e t h e ma t t r a c t i v ef o ru s ei n a u t o m a c h i n i n g ,q u a l i t yd e t e c t i n g ,c a d , p r o f il em o d e ii n g ,b i o m e d i c i n e ,m a c h i n ev is i o na n ds c u l p t u r ef i e l de t c r e c e n t l y ,a so n em e t h o do f3 d p r o f i l em e a s u r e m e n t ,t h em e t h o do f p r o j e c t i o ng r a t i n gi se x c e e d i n g l ys t u d i e db yr e s e a r c h e r sf o ri t sa d v a n c e d p r o p e r t i e so ff a c e f i e l dm e a s u r e m e n t ,r e a l t i m er e c o v e r i n ga n db r o a d m e a s u r e s c o p e h o w e v e r ,a st h e3 dd a t ar e c o v e r i n gp r o c e s si ss e r i a la n d t h ef o l l o w i n gd a t ai sd e p e n d e do nt h ed a t aa c h i e v e db e f o r e ,t h ee r r o r l o c a t e di no n ep o i n tw i l lt r a n s f e ra n df i n a l l ym a k et h ew h o l er e c o v e r i n g d a t aw r o n g t h i sp r e v e n t st h i sm e t h o db e i n gu s e da b r o a dy e t a n da l s o ,h o w t og e tt h e3 dd a t aw i t hs i m p l em e a s u r i n ge q u i p m e n t si sm u s tc o n s i d e r e d i no r d e rt om a k e t h i sm e t h o du s e f u l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ,t h ea i mi sf o c u s e do nc o m p l e t i n ga3 d p r o f il e m e a s u r e m e n ts y s t e mu s i n gg r a t i n gp r o j e c t i o np h a s em e t h o da n dd e s i g n i n g am e a s u r i n gu n i tc o n n e c t e df l p e r s o n a lc o m p f l t e rt o r e c o v e rt h e t h e e d i m e n s i o np r o f i l e h o w e v e r ,t h ed o m i n a t i n gw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o n i sc o n t r i b u t e dt os o m eh o t p o t sa n dd i f f i c u l t i e sr o o t i n gi nt h i sm e t h o d i nv i e w o ft h e s e ,f o l l o w i n gw o r k sa r el i s t e da n de x e c u t e d 1 t h es o u r c e so ft h ep r o p a g a t i o ne r r o ri nt h eu n w r a p p i n gp r o c e s sw a s a n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t aa n dt h es t e p p e dd i s p l a y i n go f u n w r a p p i n gp r o c e s s ,t h ep a t ha n do r i g i n o ft h ep r o p a g a t i o ne r r o rw a s t r a c e da n df o u n dt ob el a c ko fs a m p l i n g ,r e s p e c t i v e l y i ti sc o n s i d e r e d t h a tt h ep r o p a g a t i o n 薛e r r o ri n d u c e sad i s c o n n e c t e dp h a s ed i s t r i b u t i o n a n dt h a t ,t h ef i n a lw r o n gr e c o v e r i n gt h r e e d i m e n s i o nd a t ar e s u l t s i n o r d e rt or e s o l v et h i sp r o b l e m ,an e wu n w r a p p i n gm e t h o db a s e do nt h e d u a l f r e q u e n c yg r a t i n gm e t h o dw a sp r o p o s e d t h ef i n a lm e a s u r i n gr e s u l t i i i 山东人学硕士学位论文 s h o w st h a tt h er e s o l v i n gp o w e ro ft h em e a s u r i n gs y s t e mi sn o tr e d u c e da n d t h ep r o p a g a t i o ne r r o ri sa v o i d e dc o m m e n d a b l yw i t ht h i sn o v e lm e t h o d p r o p o s e di nt h i sp a p e r - a n di tw o r k sw e l l 2 an e ws y s t e mc a li b r a t i o n m e t h o dw a sp r o p o s e df o rp r e d i g e s t i n g m e a s u r i n ge q u i p m e n t s a n d o p e r a t i n gp r o c e d u r e s t oa c q u i r ea c c u r a t e m e a s u r i n gr e s u l t ,w h i c hn e e d sl e s sp o s i t i o n c o r r e l a t i o nb e t w e e nc a m e r a s a n dp r o j e c t i n gm e c h a n i s mi n s t e a do fe x a c t i n gp o s i t i o nc o u p l i n gc o n d i t i o n s ( p a r a l l e lo rv e r t i c a lt ot h eo p t i c a la x i s ) o ft r a d i t i o n a lt e c h n i q u e i t i ss o u n d e dt ob ee a s i e rt or e c o v e rt h e 3 d 。p r o f i l ew i t ht h e n o v e l c a li b r a t i o nm e t h o d ,i nw h i c hs y s t e mp a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e db yp c p r o g r a ma sw e l 1a st h ec a m e r aa n dm e a s u r i n go ft h er e f e r e n c e do b j e c tw h o s e s i z ei s p r e s u p p l i e dw a sc a li b r a t e dw i t ht h i sm e t h o d t h er e c o v e r e d m e a s u r i n gr e s u l t ss u f f i c i e n t l ys u g g e s tt h a tm o r ea c c u r a t er e c o v e r e dd a t a c a nb e g o t t e nw i t ht h i s n o v e lc a l i b r a t i o ns y s t e mt h a nt h a to ft h e t r a d i t i o n a lc a li b r a t i o nm e t h o d ,a n di tc e r t a i n l yh a sag o o da p p l y i n g f o r e g r o u n dint h ef u t u r e 3 t w oc a m e r a sw e r eu s e dt og a t h e ro b j e c t si m a g e ,a sar e s u l t ,t h e m e a s u r i n g s h a d o wi sg r e a t l yr e d u c e da n d t h ec o v e r e ds c o p ei sw i d e l y e x t e n d e d t h e r ea r et w of a c t o r si n f e c t i n gt h et r a n s v e r s ea n dl o n g i t u d i n a l r e s o l v i n gp o w e r ,o n ei s t h er e l a t e dp o s i t i o nb e t w e e nc a m e r aa n d m e a s u r e d o b j e c t ,a n dt h eo t h e ri s t h ef a c i n gd i r e c t i o no ft h em e a s u r e do b j e c t s s u r f a c e t h em e t h o do fm o d i f y i n gt h et r a n s v e r s ea n dl o n g i t u d i n a l r e s o l v i n gp o w e ri sg i v e ns u b s e q u e n t l y u s i n gt h em o d i f i e dr e s u l tw h i c h t h er e s o l v i n gp o w e ri nt h et r a n s v e r s eo r i e n t a t i o ni sa c c o r d a n ta n dt h e l o n g i t u d i n a lo r i e n t a t i o na l s o ,t h ee x p e r i m e n to ft h ef u s i o no fd a t aw a s p e r f o r m e d t h eo r i g i n a lm e r g i n gm e t h o dw h i c hi sj u s ta b o u ts i m p l ed a t a a d d i n gi si m p r o v e db ya d o p t i n gt h el i n e rm e r g i n gm e t h o da n dt h em e r g i n g r e s u l ti sf i n e i v 4 hm e a s u r i n gs o f t w a r ew a sp r o g r a m m e di nc + + w it ht h ef u n c t i o no ft h e 山东大学硕上学位论文 r e a l t i m e g r a t e p r o j e c t i n g ,i m a g e g a t h e r i n g ,s y s t e m p a r a m e t e r c a l c u l a t i n g ,3 - dd a t as h o w i n ga n ds oo n m a n ym e a s u r e m e n t sh a v ev a li d a t e d t h a tt h es o f t w a r ew i l lb eap r a c t i c a lt o o l i n3 d p r o f i l em e a s u r e m e n tf o r i t sl o w e rr e q u i r e m e n tt oc o m p u t e rh a r d w a r ea n di t so p e r a b i l i t y k e y w o r d s : p r o j e c t e dg r a t i n g ;d u a l f r e q u e n c yg r a t i n g :p h a s eu n w r a p i n g :s y s t e m c a li b r a ti o n ;f u s i o no fd a t a v 原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名: 至丝胡旦刁 日 期:丝堡:上:2 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名:熟蜗眩导师签名: 山东大学硕士学位论文 - - 一 刖舌 第一章绪论弟一早殖化 本章简单介绍了物体表面三维形貌测量的基本概况,并由此引出了投影栅线 相位法三维形貌测量技术。通过比较分析投影栅线傅立叶变换相位法和投影栅线 相移法各自的优缺点,阐述了本课题采用投影栅线相移法的原因及技术优势。最 后给出了本课题研究的意义以及取得的主要成果。 1 1 物体表面三维形貌测量技术 物体表面三维形貌的测量,长期以来都是科技界和工业界非常关注的课题。 物体表面三维形貌的测量对于固体加工成型、c a d q 蝴中的逆向工程、工业流 水线的在线质量控制以及机器人的视觉识别、医学诊断、微机电系统( m e m s ) 力学测量、刑侦分析等领域都有极其重要的意义。近年来随着半导体工业的进一 步发展及信息化步伐的不断加快,数字博物馆、立体照相馆、影视广告技术、虚 拟现实等又为该技术开阔了更加广阔的应用空间,同时也提出了更高的要求。 物体表面三维形貌测量技术主要分为两大类,一类是接触式测量技术,另一 类是非接触式测量技术( 如图1 1 ) 。 接触式测量技术一般为逐点检测,其原理简单、操作方便、数据可靠、精度 高、重复性好,并且对待测物体的色泽及周围环境光没有特殊的要求。接触式测 量技术的缺点也同样明显:测量速度比较慢、容易对物体表面造成损伤、无法对 软物体进行测量。目前在工业界广泛采用的三坐标测量仪就是采用接触式测量原 理。三坐标测量仪一般采用探针式的接触头,每次测量时需要预先编制扫描路径 进行逐点测量。新一代的三坐标测量仪的接触头采用力位移传感器,可以实 现在物体表面进行滑动测量,大大提高了三坐标测量仪的测量速度,但由于是逐 点测量决定了三坐标测量仪的测量速度不会太高,因此不可能用在物体三维形貌 的快速测量及一些对实时性要求比较高的场合。 山东大学硕上学位论文 i 裂嫱形舶叠i “嚣 i 二5 融7 瞄貔援9 盟 , 接触武 一 非接触卜一 i r0 、 r 1 1 l 三嫩妊溯赶机光学 声学 电磁 图 卜1三维形貌测量方法 非接触式测量主要有光学测量技术、声学测量技术、电磁测量技术等。光学 测量技术由于具有可快速提供全场信息、分辨率高、应用范围广以及便于实现自 动化无人工干预测量等优点,在实际的科研及生产实践中越来越受到人们的青 睐。 1 2光学三维形貌测量技术 光学三维形貌测量技术分为被动式测量和主动式测量两大类。 被动式测量主要有双目立体视觉法n 。3 1 、光度立体视觉法、由明暗恢复形状n 5 1 和由纹理恢复形状等方法。被动式测量方法测量精度低,计算量大,不适合精密 测量,但由于其测量时对周围照明光没有特殊要求,因此可以用在一些特殊场合, 像不便于产生照明光的情况。而且被动式测量原理与人识别物体立体信息的原理 有某些相仿,伴随着神经网络、人工智能的进一步发展,决定了其在将来必将拥 有比较广阔的发展前景和应用价值。 主动式光学测量又分为两大类,一类是非相干光的测量方法,主要包括云纹 法盯吲、投影栅线相位法、投影网格法n 、投影光刀n 2 1 及单点结构光法等。另一 类是相干光测量技术,主要包括经典干涉法n 3 1 制、全息干涉法和电子散斑干涉 法n 5 1 等。非相干光测量技术由于其对照明光源的低要求性和对环境光的高抗干扰 性在实际的测量中得到很广泛的应用,而投影栅线相位法是非相干光测量技术中 比较有代表性的一种测量方法,其体积轻巧,结构简单,实时性强,便于在线检 2 山东大学硕上学位论文 测,适用范围广,从宏观到亚微观三维形貌测量都可应用此方法,测量精度高。 本课题就是针对目前投影栅线相位法形貌测量中的一些难点热点问题而重点展 开研究的。 1 3 投影栅线相位法三维形貌测量技术 投影栅线相位法n0 1 旬的基本原理是将周期性光栅( 通常是正弦光栅) 投射到 物体上,用摄像机采集物体上的变形栅线图,对该变形栅线图应用相位恢复算法 恢复出相位来,通过与参考面上的相位进行相位求差,其相位差分布承载着物体 表面的三维信息,从而实现三维测量的目的。图1 - 2 是其基本光路原理图,从图 中可见投影装置( p r o j e c t o r ) 投射光栅条纹到物体上,通过摄像机( c a m e r a ) 采集经过物体调制后的光栅条纹信息,由于h 点的三维信息与h 点相位与a 点相 位的相位差有关,通过相位运算求得h 点的相位信息与a 点的相位信息差,从而 可以求出h 点的三维信息来。 运用投影栅相位法进行三维形貌测量根据需不需要移相可分为两大类即需 要移相恢复相位的方法和不需要移相恢复相位两种方法。不需要移相恢复相位的 方法最具代表性的是傅立叶变换相位法,需要移相恢复相位的方法即投影栅线相 移法,下面分别简单介绍这两种恢复相位的方法。 p r o j e c t o r l i m e r 一 生 、弋:,即参考平面 图1 - 2投影栅线相位法光路原理 3 山东大学硕上学位论文 1 3 1投影栅线傅立叶变换相位法n m 伽 通过正弦光栅照射物体,在待测物体表面上得到的调制栅线光强分布为 g ( x ,y ) = a ( z ,y ) + b ( x ,y ) c o s 2 7 i f o x + 矽( z ,可) 】 ( 1 1 ) 式中五是参考平面上光栅像的空间频率,a ( z ,y ) 是背景光强,6 ( z ,y ) 是条纹对比 度,( z ,y ) 是相位值。 将( 1 1 ) 式变换一下得到( 1 2 ) 式 g ( z ,y ) = a ( z ,y ) + c ( z ,y ) e x p ( i 2 7 r f o x ) + c ( z ,y ) e x p ( - i 2 丌f o x ) ( 1 2 ) 式中c ( 删) = 塑掣( 1 3 ) 式( 1 2 ) 中夕( z ,y ) 对z 做傅式变换为 c ( f ,y ) = a ( f ,y ) + c ( f f o ,y ) + c + ( ,一f o ,y ) ( 1 4 ) 在变形光栅像中,存在零级和一个一级频谱分量,由于a ( x ,) ,b ( z ,y ) ,烈z ,y ) 相 对于兀变化缓慢,因此可以利用合适带宽的滤波器,滤掉频谱中的零频成份和高 频部分,只保留频谱中的基频( 一级频谱) 成分,将其移回原点,整个过程如图 ( 1 - 3 ,1 - 4 ,1 5 ) 所示。 4 一l ( j 忧y ) f 断拶l l c ( f - a y ) 八厂八八厂l 图1 - 3变形光栅像的空间频谱 山东大学硕士学位论文 jl o c 孵y ) 7 7 、l 图1 - 4滤波后保留基频图1 - 5将基频移至原点 然后做反傅立叶变换得到c ( z ,秒) ,则由 溉湫删肛舞矧 5 , 通过求解反正切可以求出( z ,y ) 来。 上面提到的是一维傅立叶变换,在变换中忽略了投影栅线在y 方向的频率变 换,这种方法虽然简单易行,但测量范围受到限制,特别是不适于双向曲率变化 较大的物体形貌测量。当测量物体双向曲率变换都较大时需要进行二维傅立叶变 换,进行二维频谱的分析,可以更有效、更准确地分离和提取有用二维信息,提 高测量精度。 1 3 2 投影栅线相移法 投影栅线相移法的光路原理与傅立叶变换相位法相同,所不同的是傅立叶变 换相位法只需要拍摄一副变形栅线图,而投影栅线相移法则需要拍摄n 幅变形 栅线图,最简单的情况是每幅栅线图的投影光栅之间存在2 i r g 大小的相移。 具体来说,当投影的正弦光栅被移动其周期的1 时,条纹图的相位移动 2 1 r n ,根据光强公式夕 ,y ) = a ( x ,y ) + b ( x ,y ) c o s 2 7 i - f o x + ,秒) 】, 此时光强变为 夕n ( z ,y ) = a ( x ,y ) + b ( x ,y ) c o s 2 7 r f o x + 咖( z ,y ) + 2 7 r 仃n ( 1 6 ) 5 山东大学硕一仁学位论文 从n 个强度函数夕。( z ,y ) 中可以计算出相位函数: g n ( x ,y ) s i n ( 2 7 r n n )z j ( z ,y ) = a r c t a n 焉l 一 g 。( z ,y ) c o s ( 2 r n n ) n = l ( 1 7 ) 上面提到的是最简单的相移算法,为等步长相移算法。相移算法有很多种如 定步长相移,等步长相移,以及广义相移法( 不要求相移的每步都必须相等) 。 为了降低相移法对相移器的要求,提高相移法的实用性,不断有新的或改进的相 移算法提出m q 。 1 3 3 两种测量方法比较 通过上面两种方法的介绍,可以比较傅立叶相位法和相移法各自的特点: 傅立叶相位法只要求拍摄一幅图像就可以用来恢复相位,省掉了专门的相移 机构,使其系统结构变的简单。不过由于在求解相位时要进行傅立叶变换和反变 换使其计算量很大,同时使用傅立叶变换会产生由于频率泄露、混淆和栅栏效应 引起的误差,并且由于噪声的干扰要成功地滤掉零频和高频分量需要经过反复尝 试才能得到准确的滤波器参数,而且在滤波时所测物体表面的一些细节信息也容 易丢失,因此其适于圆滑表面的测量和动态测量中。 相移法需要拍摄几幅经过相移的光栅图像,才能恢复出相位来。由于是通过 几幅光栅图像直接在空域中来恢复相位所以这种方法对相位具有很高的测量精 度,可以达到几十分之一到几百分之一条纹周期,并且这种方法对所测物体背景, 周围外界光和噪声的变化不敏感,抗干扰能力强。由于不需要进行滤波处理,使 得高频信息得以保留,这样三维测量可以还原物体的一些细节形貌特征。相移法 最关键的地方是需要有一个可以进行精密移相的装置,在液晶投影仪等数码装置 出现以前,相移法要实现精密移相是很困难的,所以它的测量精度也受到一定的 限制。而在液晶投影仪等数码装置出现以后,通过计算机控制液晶投影仪投影从 而实现精密移相变的简单易行,使得采用相移法测量可以达到很高的测量精度。 因此本实验装置采用液晶投影,采用投影栅线相移法来进行三维形貌测量。 无论是傅立叶相位法( 1 5 ) 还是相移法( 1 7 ) ,其所计算出的相位分布 咖( z ,) ,都被截断在反三角函数的主值范围( 一丌,丌) 内,因而是不连续的。为了从 6 山东大学硕士学位论文 相位函数计算出物体的高度分布,需要将由于反三角运算引起的截断相位恢复成 原有的连续相位分布,这一过程称为相位展开,即相位去包裹。 1 4 投影栅线法三维形貌测量目前研究热点 投影栅线法三维形貌测量从提出至今已有二十多年的时间,但针对其中的一 些难点问题至今都没有特别好的适用于各种情况的解决方法,只能是根据具体的 测量情况、测量特点,提出针对具体问题的解决方法,因而影响该方法的实用性 和商品化。目前投影栅线法三维形貌测量研究的热点难点主要集中在以下几个方 面。 1 4 1 相位去包裹 相位去包裹是一个从起始点开始根据相邻点的相位值依次进行的过程,由于 相位间断点既可能是由于计算本身产生又可能是由噪声产生的,或者是被测物体 表面真实的物理间断点而造成的,并且有时由于采样不足的原因使得应有的相位 间断没有体现出来,这些在没有人工干预的条件下来进行自动分辨是极其困难 的。 针对噪声人们提出了许多抗噪声的去包裹算法,像割线法、延展数法、像素 排序法、神经网络法、洪水去包裹法、细胞自动机法、标记连线法、最小范数法 等。这些方法都取得了一定的成果,但是每种方法都只能解决部分问题。 针对有时采样不足造成相应的相位间断没有体现出来的情况,人们提出了双 频光栅投影去包裹技术以及多频光栅投影去包裹技术,通过两种( 多种) 频率光 栅条纹测量结果的互补来解决这一问题。 最近仍不断有相位去包裹的新方法提出,如“模板标识方法 、“级数相位去 包裹 等。 1 4 2 系统标定 三维形貌测量的最终目的是要恢复三维物体的三维形貌,即需要获得三维物 体表面的点的三维坐标信息。由于相位恢复算法得到的只是每个像素点的相位信 7 山东大学硕:上学位论文 息,需要进行系统的标定求解一系列系统参数才能将相位信息转换成三维坐标。 而这个系统标定的过程根据系统的复杂性,以及测量精度的要求不同,有很多方 法提出。传统的标定方法要限制投影装置与图像采集装置光心连线与参考面平行 及两者光轴相交,使的系统调节起来非常复杂且不容易满足条件。目前有不少降 低光路要求的标定方法,其标定精度及复杂性也各不相同。总得来说系统标定需 要根据系统的测量要求,以及具体的成本来进行折中考虑。 1 4 3 细微观领域的应用池删 最近几年随着精密机械、微型机器人、微机电系统( m e m s ) 等领域的发展,对 细微观三维形貌及相关力学参数的检测需求越来越多。因此将投影栅线法三维形 貌测量技术拓展到细微观领域也是目前的一个研究热点。 1 5 本论文的主要研究内容及成果 本论文主要针对目前投影栅线形貌测量中的几个难点,热点而展开,具体完 成的工作如下: 1 本着降低系统复杂性,降低成本,以及方便实用的目的,结合实验室的 具体实验条件,搭建了一套结构简单,调节方便的实验平台。该实验平台不需要 精密的机械装置,只需要投影仪装置垂直参考面投影,成像采集装置没有特殊的 要求,斜式采集即可,且成像装置和采集装置位置之间相互独立,没有位置上的 关联要求,大大降低了测量系统的复杂性。 2针对相位去包裹中的“拉线”现象,结合去包裹过程,通过单步跟踪具 体分析了其产生原因,并提出解决的办法。通过采用一种新的基于双频光栅投影 的去包裹算法,成功地解决了在实际相位去包裹时的“拉线”错误。, 3根据本实验系统,设计了在宽松光路装置位置限定条件下的一种新的系 统标定方法。利用本系统标定方法,不需精密机械装置,通过标定摄像机和测量 一个参考物体,即可完成系统的标定。此标定方法能够充分利用参与标定的点的 信息,从而提高了标定的精度。标定过程大部分通过软件计算自动完成,省掉了 8 山东大学硕士学位论文 复杂的机械调节过程,从而使标定过程简单方便。 4依据后续数据处理的具体需求,本文给出了将测量所得的三维数据的横 纵向分辨率进行统一的方法,并给出了在分辨率统一时空洞数据点和需要进行数 据插值的数据点的区别方法。 5针对单摄像机采集数据存在拍摄盲区及采集范围小的缺点,通过采用双 摄像机采集数据来改进这一缺陷,并完成了双摄像机采集数据的数据融合问题。 本章小结 本章介绍了目前三维形貌测量中的一些主要方法,并引出了投影栅线相位法 这一目前的热点研究方法,通过比较投影栅线傅立叶变换相位法和投影栅线相移 法,结合目前的实验条件决定采用投影栅线相移法来作为研究方向。最后列出了 本课题研究所做的主要工作以及所取得的主要成果。 9 山东大学硕上学位论文 前言 第二章投影栅线相移法测量原理 投影栅线相移法三维形貌测量系统主要有投影移相装置、成像采集装置和数 据处理系统三大部分组成。为了构造三角关系来进行三维测量,其常用的光路大 体有垂直投影斜式拍摄和斜式投影垂直拍摄两种,两种光路其恢复最终的三维坐 标的计算过程也有所不同。相移的目的是为了准确的进行相位计算。由于求得的 相位被包裹在( 一7 r ,丌) 区间上,为了得到连续的相位分布需要进行相位去包裹运 算,相位去包裹的正确进行是投影栅线相移法正确恢复物体三维形貌的基本前 提,相位去包裹是目前投影栅线相移法三维形貌测量研究中的一个热点,也是一 个难点。 2 1 投影栅线相移法系统构成 投影栅线相移法三维形貌测量系统由投影移相装置、成像采集装置、数据处 理系统三大部分组成。 2 1 1 投影移相装置 投影移相装置的主要功能是产生正弦光栅投影并负责移相。目前主要有白光 投影、干涉型结构光场投影以及液晶投影仪投影三种方式。早期的投影移相装置 大都采用机械的方式进行移相处理,像白光投影,干涉型结构光场投影,这种移 相方式对机械装置的要求比较高,并且对测量周围的环境有比较高的要求,移相 的精确度也难以保证,所以限制了其应用。而采用液晶投影仪投影由于光栅条纹 及移相过程均由计算机模拟产生,这样大大提高了移相的精度。 1 0 山东大学硕士学位论文 1 白光投影伽 最原始的投影移相方法是采用幻灯机投影光栅法,如图2 - 1 所示,装置由白 光光源、聚光透镜、正弦光栅板和相移器组成。相移器是一个由计算机控制,并 由步进电机驱动的微位移工作台。正弦光栅模板置于工作台上,可沿与投影器光 轴垂直的方向移动,通过投影在基准平面或被测物体表面产生光栅条纹。 图 2 - 1白光投影装置 山东大学硕士学位论文 2 干涉型结构光场投影 利用两个相干波前产生的干涉条纹投影也是一种比较灵活的方法。 如图2 2 所示,激光发出的线偏振光束透过透镜厶和针孔r 的空间滤波,然 后被w o l l a s t o n 棱镜剪切。相位调制器由1 4 波片q 和可旋转的偏振器p 构成。 通过旋转偏振器p ,干涉图像的正弦强度分布被调制。偏振器旋转1 8 0 。对应于2 7 r 的相位调制。用这种方法可以产生n 步相移所需要的精密相位移动。由于针孔 位于投影的前焦点上,所产生的正弦强度分布的条纹是一种远心照明方式,在干 涉场中具有线性相位分布。改变w a l l a s t o n 棱镜与针孔的距离可以很方便地调整 条纹的周期,以适用不同三维测量的要求。用干涉仪作投影机构系统复杂,要求 良好的机械稳定性以及精确的机械移动机构,并且干涉条纹易受大气扰动的影 响,因此应用受到一定的限制。 1 2 图 2 - 2干涉型结构照明光路 山东大学硕士学位论文 3液晶投影仪投影拉蚴1 图2 - 3采用液晶投影的装置 液晶投影仪( l c d ) 自适应投影,如图2 3 所示,由于具有体积小、性能稳 定、可以用计算机控制自由改变投影栅线的周期和对比度等优点,因而成为大有 前途的投影器件。由于可以用计算机控制液晶投影仪的投影图像,因此用液晶投 影仪( l c d ) 做投影设备,光栅条纹的相移可由电脑程序自动产生,因此不需要 精密复杂的机械移相装置,简化了系统构成的同时大大提高了移相的精度,随之 带来测量准确度的提高。并且随着目前半导体工业的迅速发展,l c d 投影仪的 分辨率逐步提高,价格也迅速下降,使得利用l c d 投影仪做投影装置实现投影 栅线法三维形貌测量商品化成为可能。本论文实验中所用的投影装置就是液晶投 影仪。 1 3 2 1 2 成像采集装置 成像采集装置的作用是通过黑f 7 1 或彩色摄像机拍摄光栅图像并实时f 譬输到计 算机中以便后续处理。随管数字摄像机分判f 率的逐步提高,西力像素级的摄像机 的推f j 大大提高了成像采集设备的图像采集质量。这些摄像杉l f , f 改成像采集装胃 大大提矗了三维测量系统的测量精度。本论文实验所刚的采集摄像机为北京花旗 数码实验室的d l c w 通用u s b 2 o 数字黑白c c i ) 摄像机。分辨二钲最大可达( 1 2 8 0 x 10 2 4 ) 1 4 一 一 图2 - 4花旗d l c w 通用u s b 2 0 数字黑白c c d 其产品主要参数如下表所示 像素尺寸 5 2um 5 2um 光谱响应 4 0 0 n m 10 0 0 n m 灵敏度1 8 v iu x s e c 5 5 0 n m 扫描方式逐行扫描 曝光方式e r s ( e ie c tr o n icr o i n gs n a p ) 分辨率 1 2 8 0 1 0 2 4 、6 4 0 4 8 0 3 2 0 x 2 4 0 传输速率 16 f s 白平衡自动手动 图像输出 u s b 2 0 ,4 8 0 m b s 电源u s b 2 0 供电 表2 一l花旗d l c w 通用u s b 2 o 数字黑白c c d 参数 山东大学硕+ 学位论文 2 1 3控制与数据处理系统 投影栅线相移法形貌测量由于测量处理的是面场数据并且一般要求实时处 理因此对控制与数据处理系统有比较高的要求,一般要求高性能、大内存计算机。 控制与数据处理系统要完成的工作( 如图2 5 所示) 主要有控制投影设备投影和成 像采集设备采集图像数据,所拍摄图像的修正,图像数据后期处理,三维数据还 原及显示等。同时随着计算机处理能力的飞速提高,为降低成本,越来越多的光 电测量系统把一些由硬件实现的功能改为由软件来实现,如滤波,降噪等,因此 控制与数据处理系统质量的好坏是检验一个光电测量系统质量的主要要素,也是 光电测量系统改进发展的一个主要方向。 图2 - 5 控制与数据处理系统 2 2投影栅线相移法光路原理 投影栅线相移法三维形貌测量可以采用远一1 1 , 光路投影【2 9 删和发散光投影3 1 】 两种方式。用发散光投影可以扩大测量的范围,是一种比远心光路投影更一般的 情况。对发散光投影根据投影装置和成像装置的摆放方式大体可分为两类:斜式 投影垂直拍摄和垂直投影斜式拍摄。之所以需要倾斜放置投影装置或拍摄装置是 为了构造一种三角关系,从而可以利用这种关系来根据系统的一些固定参数来求 山东犬学硕十学位论文 出测量点的高度及横纵坐标信息。 2 2 1斜式投影垂直拍摄光路2 。3 4 1 斜式投影垂直拍摄是指拍摄摄像机的光轴与参考面垂直,而投影仪倾斜放 置,如图2 - 6 所示,由于投影仪为倾斜放置使得投影的栅线在参考面上沿光栅条 纹分布方向上将不是固定频率的,在一些精度要求不高情况下可以假设栅线是固 定频率的,但在要求高精度测量时需要进行栅线周期的修正。如图2 - 6 所示,假 设光栅条纹分布方向为参考面上的x 轴方向,那么修正过程如下:由于正弦光 栅投影到参考平面上时,在参考平面上沿x 方向的强度分步可简单表示为: 厶( z ,可) = 4 ( z ,y ) + b ( z ,可) c o s 砂( z ,) ( 2 1 ) c a m e r a 图2 - 6斜式投影垂直拍摄光路 由于是斜式投影导致( z ,y ) 是x 的非线性函数,但参考面上每一个点相对于参考 点o 的相位值是确定的。根据系统的结构参数可以计算在参考面光场上的相位 分布,建立参考平面坐标( z ,可) 与相位分布咖( y ) 之间的映射关系,将这一映射 关系以数据表的形式存储在计算机中。当测量三维物体时对所测的h 点要计算 1 6 山东大学硕士学位论文 它的三维坐标首先得求出a c 之间的距离来,由于( z ,y ) 不是x 点线性函数所以 只是求出a c 间的相位差不能求出a c 之间的具体距离。但由于h 点的成像像素 位置与h 点在参考面上所对应的a 点的成像像素位置是一样的,由于a 点所对 应的相位可以从映射表中查出,即o a 可以求出。由h 点的相位如对应着参考 面上c 点的相位奶,我们要得到o c 的距离需要知道九在映射表中的位置。可 以找出最接近的两个相位值破和破+ 。使破礁+ 。,然后根据吮和氟。所对应 的x 值,通过线性插值来求出c 点所对应的x 值。这样a c 就可以求出来。h 点 的高度h 就可以根据系统的参数l ,d 等,根据三角形的关系来求出,在求解出 h 点的高度h 后,h 点的横纵坐标可以根据摄像机机的成像原理来求出,具体的 求解过程,将在第四章系统标定中详细给出。 可见倾斜投影垂直拍摄的难点在于要首先标定一个参考面上相位与坐标关 系的二维表,然后在测量过程中查这个二维表,依据相位找出坐标信息来。 2 2 2 垂直投影斜式拍摄光路矧 垂直投影斜式拍摄是指投影仪光轴与参考面垂直,而拍摄相机倾斜放置, 如图( 2 7 ) 所示。这种光路由于投影仪与参考面平行,因此投影到参考面上的 光栅条纹在条纹分布方向上是等间距的。设条纹分布方向是参考面上x 轴方向, 那么由厶( z ,y ) = a ( x ,y ) + j e 7 ( z ,) c

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