基于無(wú)衍射光投影的三維形貌精密測(cè)量及應(yīng)用.pdf

1、物體三維形貌可提供豐富直觀的信息,在現(xiàn)代生活和生產(chǎn)的眾多領(lǐng)域存在巨大的潛在應(yīng)用。近年來(lái),隨著數(shù)字投影設(shè)備、圖像傳感器及圖像處理設(shè)備的發(fā)展,基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測(cè)量技術(shù)得到廣泛研究與應(yīng)用,提供了物面形貌全場(chǎng)、大量程的測(cè)量手段。但是,物體形貌三維全場(chǎng)精密測(cè)量仍面臨許多技術(shù)難題?，F(xiàn)有的基于條紋投影的三維形貌測(cè)量技術(shù)由于投影設(shè)備精度,系統(tǒng)模型等限制,無(wú)法獲得物體表面形貌的精密測(cè)量結(jié)果,不能滿足精密測(cè)量和計(jì)量的要求。如何提高基于條紋投影的三

2、維形貌測(cè)量范圍、測(cè)量精度及適應(yīng)性,是三維形貌測(cè)量的重要研究及發(fā)展方向。本文提出了一種三維形貌精密測(cè)量系統(tǒng),其利用條紋對(duì)比度高,強(qiáng)度呈正弦分布的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光作為投影光源,并借助機(jī)器視覺(jué)相關(guān)技術(shù),實(shí)現(xiàn)物體三維形貌精密測(cè)量。本文對(duì)提出的三維形貌精密測(cè)量系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù),包括柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影實(shí)現(xiàn)、攝像機(jī)標(biāo)定、投影系統(tǒng)標(biāo)定、條紋圖像處理及形貌還原算法等,展開(kāi)研究,并提出系統(tǒng)的潛在應(yīng)用。
　　主要工作與創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　提出基于無(wú)衍

3、射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影的三維形貌精密測(cè)量模型,即根據(jù)攝像機(jī)針孔成像幾何模型和投影光平面方程間的幾何關(guān)系直接獲得物體表面的空間坐標(biāo),該三維形貌還原模型不存在近似等效,保證了三維形貌還原精度。
　　提出利用雙三角棱鏡為主要光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光的方法。利用幾何光學(xué)分析了所產(chǎn)生的柵型結(jié)構(gòu)光條紋的特性,包括條紋間距、強(qiáng)度分布、最大投影距離等;進(jìn)一步利用衍射理論及數(shù)值仿真分析了基于雙三角棱鏡產(chǎn)生的柵型結(jié)構(gòu)光的無(wú)衍射特性,并首次討論了雙三

4、角棱鏡的邊緣孔徑及棱脊衍射對(duì)產(chǎn)生的柵型結(jié)構(gòu)光強(qiáng)度的影響。利用改進(jìn)的馬赫-澤德(Mach-Zehnder)干涉光路及488nm藍(lán)光DPSS(Diode Pumped Solid Satae)激光器實(shí)現(xiàn)了投影視場(chǎng)大的類無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影,該波段的激光可使熒光素鈉激發(fā)出黃綠色熒光,便于擴(kuò)展應(yīng)用。
　　研究并提出了基于攝像機(jī)針孔模型透視投影關(guān)系的小視場(chǎng)攝像機(jī)的精密標(biāo)定方法,實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)光心及工作范圍內(nèi)焦距的精確標(biāo)定。提出了柵型結(jié)構(gòu)光投

5、影系統(tǒng)投影光平面方程與光平面相位關(guān)系的標(biāo)定方法。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際標(biāo)定實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了所提標(biāo)定方法的可靠性與準(zhǔn)確性。
　　提出一種基于功率譜密度的無(wú)衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋圖像散斑抑制的算法。通過(guò)分析散斑噪聲與載波條紋的功率譜密度分布,發(fā)現(xiàn)散斑噪聲的功率譜密度分布比有用的載波條紋及物面變化的功率譜密度小的多,利用帶有散斑噪聲的物面條紋圖像功率譜密度分布構(gòu)建合適的濾波器,去除由于采用相干光照明引起的圖像散斑,獲得很好的散斑抑制結(jié)果。并利用條文強(qiáng)

6、度散斑系數(shù)評(píng)估濾波效果。
　　條紋相位計(jì)算是采用傅里葉變換的方法,該方法只需一副條紋圖像,適合于快速形貌測(cè)量。利用投影線結(jié)構(gòu)光條紋為參考對(duì)投影柵型結(jié)構(gòu)光條紋進(jìn)行編碼,并提出利用相位跳變點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整體相位解包裹算法,可有效抑制由噪聲引起的孤立相位跳變及累計(jì)誤差。實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的通用性與可靠性。
　　利用所提的三維形貌測(cè)量模型,結(jié)合所提相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際物體三維形貌測(cè)量,并與商用三維掃描設(shè)備測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較,分析了相關(guān)測(cè)