基于數(shù)字投影的三維條紋形貌測(cè)量技術(shù)研究.pdf

1、條紋形貌測(cè)量是近年來(lái)十分流行的一種非接觸式三維形貌重建技術(shù)，它對(duì)設(shè)備要求簡(jiǎn)單/測(cè)量快速并且精確度高，因此被廣泛應(yīng)用于三維傳感/機(jī)器視覺(jué)/工業(yè)監(jiān)控/機(jī)械工程等諸多領(lǐng)域。最近幾年，為了實(shí)現(xiàn)三維形貌重建過(guò)程的全數(shù)字化，數(shù)字投影設(shè)備被引入條紋形貌測(cè)量系統(tǒng)中并由計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行控制，以達(dá)到全自動(dòng)化的三維形貌測(cè)量的目的。 然而和傳統(tǒng)的光學(xué)設(shè)備相比，數(shù)字投影設(shè)備在進(jìn)行條紋投影時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的失真，主要包括非線性失真和色彩失真。而在利用傳統(tǒng)的條紋分

2、析方法進(jìn)行形貌測(cè)量時(shí)，這些失真又最終會(huì)導(dǎo)致明顯的測(cè)量誤差。因此，自適應(yīng)地消除非線性失真和色彩失真的影響，從而提高基于數(shù)字投影的三維形貌重建的精度成為數(shù)字條紋形貌測(cè)量技術(shù)研究的關(guān)鍵問(wèn)題。本文對(duì)基于數(shù)字投影的三維條紋形貌測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，該項(xiàng)研究項(xiàng)目得到了華中科技大學(xué)智能互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與澳大利亞伍倫貢大學(xué)國(guó)際合作研究項(xiàng)目以及題為“用于動(dòng)態(tài)三維數(shù)字成像的多分辨率相位度量形貌測(cè)量法”的澳大利亞研究委員會(huì)探索項(xiàng)目的支持。

3、 首先本文回顧了條紋形貌測(cè)量技術(shù)的歷史和發(fā)展，并對(duì)此技術(shù)的原理/傳統(tǒng)的條紋分析算法和典型的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。接下來(lái)，著眼于基于數(shù)字投影的條紋形貌測(cè)量技術(shù)，從理論上對(duì)傳統(tǒng)方法在利用數(shù)字條紋投影方法進(jìn)行形貌測(cè)量時(shí)的誤差進(jìn)行了分析，并揭示了，對(duì)于數(shù)字條紋形貌測(cè)量而言，非線性失真是影響形貌重建精度的主要問(wèn)題，而這一問(wèn)題在實(shí)踐中無(wú)法避免，并使得傳統(tǒng)的條紋分析方法不再適用。 為了解決這一問(wèn)題，本文針對(duì)條紋形貌測(cè)量法提出了一個(gè)廣義

4、的分析模型，此模型是一個(gè)在實(shí)踐中更加通用的數(shù)學(xué)模型，它不依賴于投影和采集系統(tǒng)的特性，從而根本上避免了由系統(tǒng)的非線性失真所導(dǎo)致的測(cè)量誤差。廣義分析模型將物體表面形貌測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為了一個(gè)等效的位移分布函數(shù)的計(jì)算問(wèn)題?；趶V義分析模型，本文首先提出了兩種直接位移估計(jì)算法：反函數(shù)位移估計(jì)法和梯度位移估計(jì)法。這兩種方法都利用拍攝到的條紋信號(hào)對(duì)位移分布函數(shù)各點(diǎn)的函數(shù)值直接進(jìn)行計(jì)算。然而，由于物體表面上各點(diǎn)的高度分布之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性，對(duì)物體表

5、面上各點(diǎn)進(jìn)行獨(dú)立的計(jì)算是不經(jīng)濟(jì)的，因此，作者進(jìn)一步提出了兩種參數(shù)位移估計(jì)方法，包括基于最優(yōu)濾波的位移估計(jì)算法和基于離散余弦變換的位移估計(jì)算法。參數(shù)位移估計(jì)算法利用較少維數(shù)的參數(shù)向量來(lái)表示位移分布函數(shù)，并仍然基于廣義分析模型進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，從而在對(duì)三維表面進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速的形貌重建的目的。將測(cè)量結(jié)果與傳統(tǒng)算法進(jìn)行比較的結(jié)果表明，本文所提出的廣義分析模型和基于此模型的各種算法能夠顯著的提高數(shù)字條紋形貌測(cè)量系統(tǒng)的重建精度。