光柵投影三維測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、光學(xué)三維測量技術(shù)以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ),融光電子學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像處理、圖形學(xué)、信號處理等科學(xué)技術(shù)為一體,是二十世紀(jì)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展所催生出的現(xiàn)代測量技術(shù),在工業(yè)生產(chǎn)控制與檢測、機(jī)器人視覺、空間遙感、醫(yī)學(xué)診斷以及打擊犯罪等領(lǐng)域具有重要意義和廣泛的應(yīng)用前景。本文主要研究基于光柵投影的三維測量的理論、方法及其關(guān)鍵技術(shù),并將相應(yīng)成果應(yīng)用到三維測量系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)中,具體包括： (1)對光柵投影技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行分析,指出了影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

2、介紹了當(dāng)今三維測量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,對光柵投影技術(shù)的理論基礎(chǔ)展開研究,即基于三角法的測量原理和基于相位法的光柵圖像處理。經(jīng)過深入的研究,指出在測量原理方面,對系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的建模是影響測量及標(biāo)定精度的主要因素；在光柵圖像處理方面,投影光柵的正弦性和解相位的效率是影響相位求取精度和速度的重要因素。 (2)提出了新的光柵投影原理模型和標(biāo)定方法。傳統(tǒng)的光柵投影法對系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu),即投影裝置、攝像機(jī)和參考面的相對位置關(guān)系要求嚴(yán)格,實(shí)際操作中

3、很難達(dá)到。深入分析了光柵投影系統(tǒng)中的相位一高度關(guān)系以及系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的約束條件,將傳統(tǒng)二維模型中的相位.高度關(guān)系推廣到三維空間中,建立了新的相位法測量模型。基于新的系統(tǒng)模型,提出一種快速標(biāo)定方法。新模型對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并無任何嚴(yán)格的平行,垂直或相交的要求,在標(biāo)定過程中,對標(biāo)定面的位置也沒有嚴(yán)格的要求。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn),標(biāo)定方法簡單有效,提高了系統(tǒng)標(biāo)定的可操作性以及標(biāo)定速度,標(biāo)定時(shí)間在2分鐘以內(nèi),系統(tǒng)的測量精度較傳統(tǒng)方法有較大提高。

4、 (3)提出了投影光柵的相位自校正方法。在三維測量技術(shù)中,投影出具有標(biāo)準(zhǔn)正弦分布的光柵條紋直接影響到相位求取的精度。對投影光柵的正弦性進(jìn)行深入研究,提出了一種針對數(shù)字投影儀的光柵相位自校正方法,對投影儀投出的光柵條紋,應(yīng)用n步相移法通過條紋圖像得到其理想的相位分布,然后根據(jù)理想相位分布和實(shí)際相位分布的映射關(guān)系,對投影儀的光柵模式進(jìn)行自校正。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,經(jīng)過3～5次自校正后,投影儀投影出的光柵條紋正弦性誤差降低80％～90％,可

5、以得到較理想的正弦分布的投影光柵。 (4)提出了基于條紋攝動(dòng)的快速解相位方法?？偨Y(jié)了現(xiàn)有的解相位方法,針對時(shí)域和空域解相位方法在精度和速度方面的問題,提出了一種快速可靠的4步相移編碼-解相位方法。通過對中心條紋的光強(qiáng)進(jìn)行攝動(dòng),將編碼信息加入到基本相移光柵中,使4幅基本相移圖不但包含了相位場主值信息,還包含了解相位所需的編碼信息。建立了攝動(dòng)度函數(shù)描述相移圖的攝動(dòng)信息進(jìn)而得到編碼信息,解出完整的相位值。對攝動(dòng)度函數(shù)的誤差和噪聲進(jìn)行分

6、析,提出方向?yàn)V波方法來消除噪聲,極大的減少了編碼信息的誤判情況。仿真和試驗(yàn)說明了本方法的可行性。與傳統(tǒng)相移法相比,通過對4幅基本相移圖可以解出完整的相位值,解相位的速度和可靠性得到明顯的提高。 (5)實(shí)現(xiàn)了光柵投影三維測量系統(tǒng)。在上述關(guān)鍵技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,將研究成果應(yīng)用到實(shí)際中,開發(fā)了一臺便攜式的可移動(dòng)光柵投影三維測量系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,投影儀和攝像機(jī)等測量元件集成在測量頭上,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、構(gòu)建方便快捷。采用模塊化設(shè)計(jì)方法,編制了一套集光