反求工程中融合特征捕捉的光學三維測量方法研究及系統開發(fā).pdf

1、反求工程從三維數據測量開始，最終目的是要得到精確的實體模型，數據測量和特征提取在這一過程中具有十分關鍵的作用。本文基于三角測量原理，對提出的融合特征捕捉的光學三維測量方法及其關鍵技術進行了詳細深入的研究，開發(fā)出了高精度光學三維測量系統，取得了滿意的效果。 針對基于點云數據的特征提取方法效率低的問題，提出了融合特征捕捉的光學三維測量新方法，研究了基于多種測量過程信息相融合的特征捕捉方法，在三維測量的同時實現特征捕捉。首先基于格雷碼

2、有序性和相移圖像的分析有效去除陰影，基本消除了光學測量中由于遮擋等原因引起的噪聲。其次，基于無光柵圖像、格雷碼矩陣、相位梯度圖等信息分別進行了表面特征捕捉的研究?；跓o光柵圖像幾乎可以獲得表面的所有特征，但由于表面顏色、灰度等因素的影響而存在大量偽特征；基于格雷碼編碼矩陣可以獲得表面的不連續(xù)特征，但無法檢測出連續(xù)特征；基于相位梯度圖的方法可以檢測出表面的突變特征和連續(xù)特征，并且消除了無光柵圖像表面顏色的影響?；谏鲜龆喾N測量過程信息的融

3、合最后獲得完整的表面特征，試驗結果表明該特征達到了一個測量采樣點的精度。該方法極大地提高了特征提取的效率，同時由于采用單獨的點云輸出，保證了特征表達的精度，對提高后續(xù)的模型重建工作的效率和精度具有顯見的積極意義。 在分析光學三維測量原理和技術特點的基礎上，對格雷碼相移融合測量方法及其若干關鍵技術進行了深入研究，并提出了一種基于等周期線性修正和加權中值平滑相結合的相位誤差補償新方法。首先對基于結構光編碼的格雷碼方法、相移法分別進行

4、了試驗研究，并采用亞像素級解碼技術對格雷碼方法進行了改進，測量的高度分辨率從0.22mm提高到0.1mm以內，點云數據的光順性得到明顯改善，從而擴大了該方法的應用范圍。根據格雷碼方法和相移法各自的特點，將兩者結合起來，可以實現大場景、高分辨率的測量，并能同時獲得表面突變信息和細節(jié)信息。本文對格雷碼相移融合測量方法及其若干關鍵技術進行了深入研究。在分析全場結構關系的基礎上詳細推導了該方法的數學模型，給出了精確的三維坐標表達式。基于格雷碼和

5、相位梯度檢測進行全場相位解碼，實現了精確的絕對相位計算。針對相位測量技術中普遍存在的相位擾動誤差問題，在研究OPTF方法的基礎上，提出了一種基于等周期線性修正和加權中值平滑相結合的相位誤差補償新方法，取得了良好的效果。試驗結果表明，OPTF方法對點云擾動誤差的改善為25﹪，采用本文方法后點云擾動誤差平均降低了62.5﹪。 對三維測量系統標定技術進行了深入研究，提出了基于全場結構關系模型的系統綜合標定方法。在通過攝像機標定獲得內部

6、參數的基礎上，根據全場結構關系模型分析系統測量誤差與系統參數問的定量關系，然后根據對特定標定模板的測量誤差不斷迭代修正系統參數，從而實現系統的綜合標定。試驗證明了該方法的有效性，可以達到較好的標定精度。 在上述研究成果的基礎上，以自制的高精密物理光柵器件為核心實現了結構光投影系統的開發(fā)，進而開發(fā)出了光學三維測量樣機系統。測量系統包括硬件和軟件兩部分，硬件部分包括光柵投影裝置和圖像采集系統、以及系統控制單元，軟件主要實現數字圖像的