（光学专业论文）鞋楦激光三角测量系统关键技术的研究.pdf

鞋楦激光三角测量系统关键技术的研究 光学专业 酝突生：剜浇蘸攒罢教撵：苏显泠营萎乎 恭耍 光学三维丽形测鬣由于其其有非接触、无损伤、速度快、精度商 以及镑熊化等媾点，已经在工业检测、枧嚣襁觉、逆向工程、实物铸 形、制鞍服装设计、生物隆学等领域获得广泛应用。激光三角测量法 是以传绞戆三建测羹为基磁豹一耱光学三维露形溅量技术，应爰极为 广泛。 在涮鞋工业中，无论楚新设计的样檀，还是大批生产的赣檀，都 必须对其檀身各特镁部位的尺寸及外形进行测量梭验。鞋植测量是款 式设计的基础。近年发展越来的制鞋计算机辅助设计( c a d ) 系统和 计算槐麓秘铡选( c a m ) 系统燹霉要攘个棼楗戆三维嚣澎数据。本文 对鞋植激光三角测量系统涉及的某些关键技术进行了深入研究，目的 楚挺离系统斡往能和溺量精度。本文磅究懿主要两客耪雏采蟊下： 1 对系统的硬件部分进行了改进：选用高分辨率的线薄c c d 以 提高系统的分辨率；利用在线可编程器件简化系统的结构；采用高速 a d 转换爨以及顿存结器掇褒系统的露取速度。 2 提出了种光点距离像和强度像的同时获驭方法。采用了光强 塞适应调整鄹戏缘光点位爨寒精度算法等光电信惑获取与处理技术。 3 分析了测量系统的精度影响因索、散斑噪声对系统的影响，并 简荤介绣了爨黉系统溺量耩度豹方法。 4 确定光点中心位置的常用算法有熏心法、傅立叶变换法、函数 拟合法等。本文对这三种算法遂行了分柝、比较。 关键词：激光三角法，鞍檀，三维传感，强度像获取，线阵c c d 重心法，傅立叶交换，高斯拟台 本文盼工作得到圈家自然科学麓金与中国工程物理研究院联合基金资韵 r e s e a r c ho nk e yt e c h n o l o g yf o r3 - ds h a p e m e a s u r e m e n to fs h o el a s tw i t hl a s e rt r i a n g u l a t i o n m a j o ro p t i c s g r a d u a t e ：x i a o l il i u a d v i s o r ：x i a n y us u ，y i p i n gc a o a b s t r a c t o p t i c a l3 - dp r o f i l o m e t r yh a sas e r i e so fm e r i t s ，s u c ha sn o n c o n t a c t ， u n a b r o k e n ，h i g h e rp r e c i s i o n ，h i g h e rs p e e da n da u t o m a t i o n o p t i c a l3 - d p r o f i l o m e t r yi su s e da st o o l sw i d e l yf o ri n d u s t r ym e a s u r e m e n t ，m a c h i n e v i s i o n ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，p r o f i l em o d e l i n g ，s h o e m a k i n ge n g i n e e r ， b i o m e d i c a l i n d u s t r y ，e t c l a s e rt r i a n g u l a t i o n i sb a s e do nt r a d i t i o n a l t r i a n g u l a t i o n i ti su s e dt h em o s tw i d e l y i nt h es h o e m a k i n gi n d u s t r y ，n om a t e rt h es a m p l el a s tn e w l y d e s i g n e d ，o rt h el a s tv o l u m e p r o d u c e d ，m u s tb em e a s u r e do rt e s t e d f o r t h ec h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o na n dt h es h a p eo ft h el a s t 。l a s ti st h e b e n c h m a r ko fs h o es t y l e t h e3 - ds u r f a c ed a t a o ft h ew h o l el a s ti s r e q u i r e di nt h ec a d c a ms y s t e m t h i sp a p e rh a sd o n es o m ee m b e d d e d r e s e a r c ho fk e yt e c h n o l o g yf o r3 - ds h a p em e a s u r e m e n to fs h o el a s tw i t h l a s e rt r i a n g u l a t i o ni nt oi m p r o v i n gt h em e a s u r e m e n tp r e c i s i o n w h a tw e h a v ea c h i e v e da r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h eh a r d w a r es y s t e mh a sb e e ni m p r o v e d ：l i n e a ra r r a yc c do f h i g h e rr e s o l v i n gp o w e ri sc h o s e dt oi m p r o v et h eh i g h e rp r e c i s i o n ；t h e s t r u c t u r ei ss i m p l i f i e db yi n - s y s t e mp r o g r a m m a b l es y s t e m ；s p e e di s i n c r e a s e db yu s i n gh i g hs p e e da dc o n v e r t o ra n df r a m em e m o r i z e r 2 p r e s e n tam e t h o do fo b t a i n i n gt h ed i s t a n c ea n di n t e n s i t y i m f o r m a t i o no ft h ef a e u l a ri m a g e + s e l f - a d a p t i v el i g h ti n t e n s i t yr e g u l a r i n g t e c h n i q u ea n dh i g hp r e c i s i o na r i t h m e t i co ft h ec e n t e rp o s i t i o no ft h e f a c u l a ri m a g ei su s e d 3 a n a l y z et h es y s t e m sp r e c i s i o ni n f l u e n c ef a c t o r s ，t h es p e c k l e n o i s ea n di t si n f l u e n c e b r i e f l yi n t r o d u c et h em e t h o d so fi m p r o v i n g s y s t e m sm e a s u r ep r e c i s i o n 4 t h e r e r es e v e r a lm e t h o d so fw o r k i n go u tt h ec e n t e rp o s i t i o no f t h ef a c u l a ri m a g e ，s u c ha sc e n t e ro fg r a v i t ym e t h o d ，f o u r i e rt r a n s f o r m m e t h o d ，f u n c t i o nf i t t i n gm e t h o d ，e t c t h e y r ea n a l y z e da n dc o m p a r e di n t h ep a p e r k e yw o r d s ：l a s e rt r i a n g u l a t i o n ，l a s t ，3 一ds e n s i n g ，i n t e n s i t yo b t a i n i n g ，l i n e a r a r r a yc c d ，c e n t e ro fg r a v i t y ，f i t ，g a u s sf i t t i n g + t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d so fc h i n aa n d - 窭川大学磋学位埝文蒡一攀壤论 第一章绪论 1 1 三维面澎测量的基本方法 近年来，物体三维轮廓枪测和数据信息提取技术的应用曰益普及， 被广泛地应用于产品质量控粼、逆向工程、机器筏爨以及生物鼹学等 领域。旱赣魂三维测量手段主要是莽j 爝钒褫接触式搽针酌方法采获取 物体表面的三维垒| 生标，由于采用的是接触式测量，不可避免地对被测 物表蕊造成损伤，并且测量速度慢、操作繁琐、不可测软物体。随着 诗舅壤技术、光学帮竞毫予技术酶逐遮发溪，掇大瓣改交了传绞豹讨 量技术。新的光学三维传感方法f 1 “，其有非接触、无损、高精度、高 速度以及易于在计算机控制下实行自动化测量等系列特点，已i 经成 为瑷 弋三维面形测量静重要途径及发展方向。 光学三维西形潮量技术就是弱霜光学静方法获取三维物体表面吾 点的空间坐标的方法和技术。获取三维物体面形信息的基本方法可分 为两大类：被动三维传感与主动三维传感。 被动三缝传感采鼷j 缝擒照疆方式，簌一个袋多令摄像系绞获取 的二：维图像中确定距离信息，形成三维丽形数据。采用单个摄像系统 的测量，需要人们对物体形态、光照条件等先念知识有充分地认识， 否则，对距离鹣计算可能产生错误。从多个摄像系绞获取鲍不翊褫觉 方向的二维图豫中通过相关或匹配运算可以重建稳体的三维箍形，但 这种方法不仪数据运算量大，而且当被测物体上各点的反射率没有明 显麓异时，正确计算将变得驻加困难，因此被动三维传感的方法常常 哭爝予对三维鹜标麓识鬟、倥菱形态豁分毒厅等。 主动三维传感采用结构光照明，由于三维面形对结构光场进行空 间或时间调制，从携带有三维面形信息的观察光场中，通过特定的方 法麟可以解调缮裂三维露形数据。该方法其有较麓数溅量糖度，因此 大多数三维西形测量都采蠲这种主动式的铡董手段。根据三维蕊形对 结构照明光场调制方式的不同，可将主动三维传感分为时间调制和空 间调制蔼大类。一类方法称为飞行时间法【5 l ( t i m e - o f - f l i g h t ，简称t o f ) ， 四川大学硕士学位论文第一章绪论 它是基于三维面形对结构光束产生的时间调制，直接测量激光或其它 光源脉冲的飞行时间来确定物体面形。另一类更常用的方法是采用空 间调制的三角法，它以传统的三角测量为基础。在基于三角测量原理 的方法中，根据不同测量技术中从观察光场中提取三角计算所需几何 参数的方式不同，一般又可分为两类：直接三角法和相位测量法。直 接三角法轮廓测量术包括：激光逐点扫描法1 6 , 7 、光切法1 8 - 1o 和二元编 码投影法】。相位测量法包括：莫尔轮廓术【1 2 1 ，傅里叶变换轮廓术 3 - 2 0 f f t p ) ，相干雷达技术【2 1 1 ，相位测量轮廓术( p m p ) 怛2 2 ”，空间相位检 测( s p d ) 28 1 等。调制度测量轮廓术( m m p ) 口9 j 是另一种采用空间调制的 三维传感方法，其主要特点是投影方向与观察方向相同，可避免阴影 的影n 向，用于测量突变和空间分布不连续的复杂三维物体表面。 本文的工作主要基于激光三角法原理，所以下面详细介绍这种方 法的基本原理。 1 2 激光三角法的基本原理 激光三角法( 1 a s e rt r i a n g u l a t i o n ) 以传统的三角法为基础，由于三维 面形对结构照明光束的空间调制，改变了成像光束的角度，即改变了 成像光点在检测器阵列上的位置，通过对成像光点位置的确定，结合 系统光路的几何参数可计算出距离。大多数三维面形测量仪都派生于 三角测量原理。 根据光源的不同，激光三角法有三种基本的结构照明方式：点结 构光照明、线结构光照明和面结构光照明。点结构光法采用点光源照 明被测物体，光能量集中，可以获得高的信噪比，在测量较暗和较远 距离物体时具有优势。由于每次只有一个点被测量，为了形成完整的 三维面形，必须有附加的二维扫描。 线结构光法，又称光切法，该方法通过投射一个片状光束到待测 物体表面，形成线结构光照明1 3 0 1 ，以光刀图像来重现物体三维面形， 即从光刀图像中提取光刀中心位置，然后利用三角测量原理对光刀中 心逐点进行求解，来获得三维面形数据。该方法由于采用的是线光源 四川大举硕士学位论文 第一章鲻论 投影，只需要附加一维扫描就可以形成完熬的三维面形数据。 瑟缝襁巍爨酸焱统授袈一个二缝藩形弱特溺魏体褒錾，形成露结 构光照明。其中最简单的一种怒多个片状光束构成的多线结构照明。 其他常用的丽结构照明的二维图形还有罗胬光栅和正弦型光栅。广义 土，缀多嵇空闼编粥的二维图形都可以手# 为嚣结构照明光场，在蜃续 的信号处理过程中，从蕊察光场中解调恢簸原来酶室黼位置关系。这 种三维传感系统一次就可以得到物体的三维面形数据，不需要附加的 维或二维的扫描结构。相位测量轮廓术( p m p ) 、傅立叶变换轮廓术 f f t p ) 裁建其中嚣鞭主要熬溅鬟方法。稷位溅量轮露零( p m p ) 楚国激 光干涉计量发展而涞。它采用相移的方法褥到多帧变形的条纹图，通 过这些变形的条纹图可以精确地计算出物体上每一点幽于其高度变化 引起的楣位分布豹变化，通过稳位震开算法可良精确她测褥物体的三 维面形数据。薄立时交换轮廓术( f t p ) 对攘测器接收至的经过物体三 维面形调制而变形的条纹图聚用傅立叶变换和在频域中的滤波运算， 得到频谱中基频分蹩，其中包含有物体的三维面形分布信息。最屠通 过逶簿立时交筷积秘位震秀帮哥褥至l 麴髂褥三维嚣澎数据。 采用点结构的照明光束的激光三角法凝有系统构成简单、价格低 廉、操作方便和稳定性好等特点。其典型原理结构图如图1 - 1 所示。 l a x i 一 图l 一1 三角法原瑗豳 图1 - 2 是一般粒三角测爨系统。图中给出了物体、光源、探测嚣 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 和成像透镜孔径中心的坐标。坐标系统原点位于主探测器透镜中一t 5 。 主探测器 图1 2 一般三角测量系统原理 像点的( x ，y ) 坐标按相对于相应的成像透镜中心给出。照明光束在x z 和y z 平面上的投影线相对于z 轴的夹角为0 。和0 ，。所以被照明的物 点的坐标为 x o = x ，一( z o z s ) t g o ，( 1 1 ) y o = x 。一( z o z s ) t g o 。( 1 2 ) 该点在主探测器上形成的像点坐标为 ff x ，= 二一z o = 二一( x ，+ z s t g 以) 一f t g o ， ( 1 3 ) z 0z 0 _ = 当胪拿( ”。t g o ，) 一f t g o y ( 1 4 ) 式中，f 是成像透镜和探测器之间的距离，对于较长的工作距离 ( 大的zo ) ，该值近似等于透镜的焦距。如果比较物面上和参考平面上 的光点在探测器上的像点位置，则像点位置的差异可以表示为 a x ，：f ( x 。+ z ，培臼，) ( 土一l )( 1 5 ) z 0z m a y ，：f ( y ：+ z 。t g o 。) ( 上一l )( 1 6 ) z 0z w 用x 方向的位移量计算物体的距离，可以得到 4 四川大学硕士学位论文第一章绪论 z 。= - _ 二型百( 1 7 ) 1 缸i - zr # f ( x ；z s 9 8 0 一j 上式表明，z 。和x 。之间存在明照的非线性关系。通常，采用 维线阵探测器，使投影光鞴、成像光辅和探灏器阵列位于同一平面， 这时像点的位援只在x 方向上沿探测器阵列移动，有效光源位于x 轴 上邮y = o ，y 。= z 。= o ，这时上式可以简化为 2 m 。再i 乏而丽 ( 1 。8 ) 这萃l 宙一个投影竞麓霉霹一个袋僚巍辜垂l 稳藏豹测量系统又稔为蕈三 角测量系统。这神测量方法要求投影光轴和成像光轴之间保持恒定的 夹角。如采用这种系统完成一维或二维扬蕊高度的溅量，登焱在整个 传感器( 包括投影和成像) 和被测物体之间附加一维或二维的相对扫 描，如果我们引入第二个成像系统，则可以构成双三角测量系统。这 酵叛褰懿测量可班邋过比较在嚣个搡测器上像点魁差彝嚣实珑，丽单 三角法中距离的测爨是通过比较一个相对予物面的像点和一个相对于 基准嚣懿像点箍实现楚。正热图l 。2 掰示，在第二个援溯嚣平覆上缘 点的坐标为 x 一兰! 兰g = 型 ( 1 g ) ( z o z 2 ) + ：掣丘掣 ( 1 。1 0 ) 2 8 z l 2 ， ( 1 3 ) 和( 1 9 ) 两式联立，可以得到 z o = 二竺竺塑 ( 1 1 1 ) x f x f 2 上式表明，双三角测量方法并不依赖予投影先轴与成像巍轴之闻豹夹受， 这意味蓑简单她沿一个方向的扫描投影光轴就可以完成一个剖面的距离测量。 三角测量系统中一般采用图卜3 所示的光路结构。探测器基线与 藏豫光辘或一颈角。在测量光鼹中，若探投l 器蒸线与成橡光辜垂垂踅， 当被测物体嵩度发生变化时，像点就沿线阵探测器方向移动，而由于 搽瓣器蘩线每竞鞍蓬塞，哭春一个壤疆谲焦靛霞爰，箕余垃爱斡豫点 5 馥j t l 大攀舔圭学整琵：踅 第一章臻论 都处予不同程度的离焦状态，由于离焦引起的像点的弥散，会降低系 o 鼹c c d 图1m 3三角测量系统原理 统的测量精度。龄攘测器基线与成像光辅蕊成镁角满足s c h e i m p f , , g 条磐勰。，鼙满足 t g o = k t g f l ( 1 1 2 ) 时，投影光轴与探测器之间成物像共轭燕系，在一徽景深范围内的被 测点都熊正焦遗戏豫奁探测器阵囊上，从丽保谨了聚绞酶涎量精度。 上式中，k 是袋豫系统翁救大倍奉。记线稼系统弱焦鼹为f ，剩z 帮 x 之间的关系为 。：j 磐譬氅笔 l ，i3 ) 一 s i n 8 士缸c o s 8 s m8 、 由c c d 将接收到的光信号ax 转换为魄信号，即可根据( 1 13 ) 式计 算出胝离z 。 1 3 鞋楦三维测量仪的测量原理 测量仪采用激光三角测爨原理，豳i 4 是原理兆路图。图中z 是 旋转辘，被灏鞋攮霉煞浇z 辍转凄帮瀣z 辖移动，森氦一氯激光器毅 射的光线通过z 袖并垂直予z 轴，盛像光轴与投影光线夹角为n 。探 测嚣采用c c d 线阵，并与成像光轴成倾角1 3 ，以满足s c h e i m p f l u g 条锋。谗被测袭霹一点到转麓孛心熬距糍斑f ； 6 叫川大学硕学垃论文 第一誊绪论 r = r o + _ 譬譬黑 (1-14)a厂s i n 僻+ x c o s 口s i n 胛 、 考虑裂鞋毽绕z 辘转魂帮淤z 辘鲍移动，可懿在挂嫩标系统( z ，r ) 中 建立鞋檀的全穗丽面形表达式r = r ( z ，8 ) 。 圈1 。4 糕檀三维测黧系统原理图 系统枣仪瓣主傣、馓辍、款赞三部分稳或。仪器主薅壶投影秘或 豫光学系统、移动和转动工作台、c c d 线阵探测器和驱动电路、单片 图1 。5 仪器主体缩构示意图 7 列川大学硕士学位论文第一章绪论 机等组成，如图卜5 所示。根据三角测量原理和细光束相对扫描方式 进行非接触光电测量。工作台带动鞋楦沿轴向移动和绕轴转动，以使 投影光线能对细细的整个面形进行相对扫描。驱动工作台的两路步进 电机与单片机相连。由单片机控制工作台的移动和转动，完成c c d 线 阵的扫描驱动、输出信号的预处理、模数转换和数据处理。单片机还 完成仪器主体与微机之间数据和控制信号的双向传递。测量结果由微 机输出，以数据和图形方式实时显示。仪器主体与微机之间通过r s 2 3 2 标准接口实现通讯。系统采用了光强自适应调整技术和成像光点位嚣 高精度算法等光电信息获取与处理技术。 1 4 本文结构 第一章介绍了光学三维传感技术的基本方法、激光三角法的基本 原理，以及鞋楦测量仪的测量原理，然后引入本文研究的主要内容。 第二章重点介绍了测量系统的硬件控制。详细介绍了二相线阵 c c d ：t c d l 2 0 6 u d 的结构原理、驱动控制，分析了影响c c d 光敏元 照度的因素及积分时间的匹配，并介绍了c c d 输出信号的数据采集部 分的硬件设计。 第三章提出了距离像与强度像的同时获取方法，并以鞋楦底边一 个剖面数据的提取为例进行了说明。 第四章分析了测量系统对散斑噪声的抑制能力，利用多帧平均和 动态采集两种方法减少散斑噪声的影响。 第五章对确定光点中心位置的几种算法进行了比较。 第六章是本文的总结部分。 1 5 本章小结 本章主要论述了现在对于三维面形测量过程中常用的一些测量方法，并针 对本论文所要完成的工作详述了激光三角法的基本原理，以及鞋楦测量仪的测 量原理，晟后给出了本文结构。 鞠川太学硕士学经论文 第二章系统鹣醺件控渊 第二章数据采集系统的电路设计 数据采集系统是鞋楦三维面形测餐仪的重要组成部分，本章将提 出数据采集系统的电路设计方案，对所涉及的主要器件的原理特性， 以及数据采集帮接口设计送行详缨分毫蓐。 2 1 c c d 结构原理及特性 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ) 是七卡年代发攫起寒斡赣囊半导嚣 器件，由美国贝尔实验室的w s b o y l e 和g ，e s m i t h 于1 9 7 0 年首先提 出，在经历一段时间研究后，建立了一缎势阱模型为撼础的非稳恣c c d 理论。几十年来，c c d 盼磺究取褥了惊人鲍进展，特别是在搿像传感 应翔方面发袋迅速，已袋为蕊代溅试技术中最活跃、最富成采往静薪 兴领域。c c d 怒一种以电荷量表示光擞大小，用耦合方式传输电荷量 的新型器件，舆有体积小、结构紧凑，阱及分辨率商、动态范围大、 实露传凌帮鏊扫蘧等一系戮伐点。 c c d 最早应用于天文观察，c c d 在经历了许多技术改进之后，目 前c c d 已具有光谱响应范围宽( 2 0 0 * 1 0 5 0 n m ) 、检出限低( p g 或f g 级) 、动态范围突( t 0 5 1 0 6 ) 、嘻电沆秘读出噪声低、抗溢出熊力强、 甏袋质量高以及实时整溺麓力强等特点。加上它的积分售号能力秘多 道同时检测信号能力，目前它已经广泛地应用在航空、遥感、军用设 备、自动控制、机器人计算机、雷达、医学、生物、化学、测量、摄 豫、蚕豫采集麓技零霸秘学领壤鞋及王农、监生产淫韵中p l ”】。 按结构功能可划分为两类1 3 3 1 ：线阵c c d 和西阵c c d 。二者都是 通过光学成像系统将图像成像在c c d 的像敏面上。像敏面将照在每一 像敏单元上的阉像照度信号转变为少数泼流子数密度信号存德在像敏 单元( m o s 嘏寮) 中，然爱，再转移捌c c d 昭移位寄存器，并在驱 动脉冲的作用下顺序地移出器件，成为视频信号。 与面阵c c d 不同的是，线阵c c d 接收的是一维光信息，不能直 9 明川大学硕士学位论文 第二章系绒的硬件拄制 按将二维图像转为视频信号输出。为了得到憝个二维图像的视频信号， 必须角手曩疆翡方法实现。对予稻同豹豫元数线帮缘元中心距参鼗，缝 阵c c d 相对于面阵c c d 而言造价低得多，因此用高精度多像元的线 阵c c d 结合运动扫描的方法，在三雅面形褥高精度传感和检测中具有 缎好的应用潜力。 2 1 1t c d l 2 0 6 u d 线阵c c d 的结构原理 测羹系绕孛，我翻采瘸了t c d l 2 0 6 u d 凌黪c c d 。t d c l 2 0 6 u d 器件是嗣本东芝公司生产的高灵敏度、低噪声线阵c c d 器件，被广泛 翘应异j 于商精度溯豢和识剿等领域。 t c d l 2 0 6 u d 为二相线阵c c d 器件。它由2 2 3 6 个p n 结光电二极 管构成光敏元阵列，其中前6 4 个和后1 2 个是用作暗电流检测而被遮 蔽的；中间的2 1 6 0 个光电二极管是曝光像敏单元。每个缘敏尊元的尺 寸为1 4 “m 长、1 4um 高，中心距亦为1 4um 。其光谱响应峰值波长 。为5 5 0 n m ，长波驻为1 1 0 0 n m ，短波疆霹延长爨紫爨谱嚣。 t c d l 2 0 6 u d 的主要特性如表1 所示。 表1 ：t c d t 2 0 6 u d 线阵c c d 翡主要将往 灵敏 饱和饱和 像敏攀元 骧信号 憨佳 动态 驱动 凄臻光输密 不均匀度电压输效率 范围 频率 ( v l x 电压 ( ) ( m v )( ) ( m h z ) s ) ( i x - s f v ) 4 50 0 3 71 710】9 2】7 0 0 2 0 t d c l 2 0 6 u d 需要四路驱动信号；转移脉冲由s h 、复位脉冲国 联上爨时镑售号国l 、2 。囊于续擒上麴安搏，信号辕出端善毙辕出13 个虚设单元信号，再输出5 1 个暗信号，然后才逐续输出2 1 6 0 个脊效 稼素单元信号，接麓赣赍9 令港售号瘸2 个奇鼹检测镶号，以爱後是 空驱动。在驱幼脉冲的作用下，国s h 脉冲高电平到来时，中l 为高电平， 移位寄存器中所有书i 电极均形成深势阱，并使转移街中的倍号迅速向 上下两列模拟移位键存器的中l 电极转移。当s h 由商变低时，s h 形 四川大学硕士学位论文 第= 章系统的硬件控制 成低势阱，使m o s 电容中的信号与巾l 电极隔离ol 与o2 交替变化， 使存于中l 电极下的信号电荷包顺序地向左转移，经由电路由o s 端输 出。r s 复位输出极每复位一次输出一个光脉冲信号。由于该器件是 两列并行分奇、偶传输的，所以在一个中s h 周期中，至少要有1 1 l8 个 o1 脉冲，即t s h 1 1 18 t l 。其驱动波形如图2 - 1 所示。 s h f 1 f 2 f r 厂 厂 厂 厂 厂广 厂 厂 厂 厂1 r 广 厂 厂 r 厂 厂 厂 厂 厂 l j 1 1181 1 1 l88 1l l11 80181 1 图2 1t c d l 2 0 6 u d 驱动脉冲波形图 2 1 2t c d l 2 0 6 u d 的驱动控制 为了保证c c d 正常工作，必须设计出符合c c d 正常工作要求的驱 动脉冲电路。因此，应根据所选c c d 的脉冲信号的时序关系来设计驱 动脉冲电路。传统线阵c c d 驱动器大多采用计数分频的分频技术产生 c c d 所需的各种驱动信号，驱动电路也比较复杂，光积分时间及信号 的转移完全由驱动电路本身控制，使用起来缺乏灵活性。由计算机控 制光积分时间及信号的转移则解决了这一问题，并且应用i s p ( 在系统 可编程) 技术可以极大的减少电路的复杂性。 图2 - 2t c d l 2 0 6 驱动电路框圈 四川大学硕士学位论文 第= 章系统的硬件控制 我们所设计的t c d l 2 0 6 驱动电路原理框图如图2 2 所示。由晶体 震荡器构成的脉冲信号源产生主时钟中m 。中m 脉冲经在线可编程逻辑 器件i s p l s i 产生中s h 、中r 、中l 、中2 四路驱动脉冲及行同步信号c 。 其中c 的上升沿对应于c c d 的第一个有效像素单元。将c c d 信号输 出端( o s ) 及补偿输出端( d o s ) 的信号分别输入到差分放大器的正、 反输入端进行差分放大，抑制共模的中r 引起的干扰，得到信号波形， 此信号送入a d 转换器进行a d 转换。 2 1 3 影响c c d 光敏元照度的因素及积分时间匹配 c c d 的光照度风是指c c d 像敏元单位受照面积接受的光通量【3 4 i 。 c c d 是积分型器件，其输出电流信号，不仅和光照度有关，也和两次 取样的时间间隔，即积分时间t 有关： 产腿t = - k o( 2 1 ) 其中，为比例常数，驴 称为曝光量。对于一定的器件，臼应 工作在小于饱和曝光量酝。额范围内，即印他而且，对于c c d 像敏 元而言，其光照度不能低于灵敏阂，否则较暗部分将无法测出，产生 测量误差。因此，实际测量中，通常需要调节c c d 光敏面的照度尻， 使之满足： e 一 堑 t ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) 可知，积分时间影响像敏元的曝光量，对于同样的光 照度，积分时间长，像敏元的曝光量就多。因此，对于光照较弱的场 合，可以采用较长的积分时间使c c d 光敏元获得足够的曝光量；反之， 对于光强较强的场合，则可通过减少积分时间的方式降低c c d 光敏元 的曝光量。 c c d 的最小积分时间与具体使用场合有关，为了提高系统的探测 能力，常常需要增加c c d 的积分时间，实现的方法通常是增加一个中 s h 周期中的时钟个数或者降低c c d 像元的读出速率。但是，当输出像 元的速率改变后，必须将c c d 输出信号处理电路中的有关器件参数值 四川大学硕士学位论文第二章系统的硬件控制 作相应的调整，否则c c d 输出信号的强度将会降低。利用i s p 技术可 以在不改变电路参数的条件下，由外部事件信号来控制光积分时间 3 5 ，从而使测量系统具有更大的灵活性。我们设计的t c d l 2 0 6 u d 型 线阵c c d 驱动系统可以在软件控制下自适应调整积分时间。 图2 3 是我们基于i s p 技术设计的可满足上述要求的电路原理图。 在系统中，c c d 光积分信号的转移由外部信号e x t 控制，因而通过改 变信号e x t 即可达到改变积分时间的目的。电路设计的关键是在转移 信号中s l 有效( 即os h 为高电平) 时，时钟信号中1 须一直保持为高电 平，中2 一直为低电平，从而保证电荷的可靠转移。图2 3 所示的设计 即可满足这一要求。c c d 的曝光时间随信号e x t 的宽度的改变而改 c l k e x t 图2 - 3 外部信号控制积分信号转移的t c d l 2 0 6 u d 驱动电路 变，积分时间则随着信号e x t 的周期的改变而改变”】。这样便实现了 c e d 曝光时间与积分时间的外部信号控制。这在利用程序生成e x t 信号时是极容易实现的。 系统的电路是基于i s p 技术设计实现的，使c c d 的所有驱动信号 都在一片i s p 芯片中产生。因而系统性能可靠，电路体积小、结构紧 凑。 2 2c c i ) 输出信号的a d 数据采集的硬件设计 在定量分析线阵c c d 输出信号的幅值时，需要对线阵c c d 输出 信号进行模数转换和数据采集，并将采集的数据送入计算机进行处理。 线阵c c d 的输出信号是以转移脉冲为周期的时序调幅脉冲信号，因而 四川大学硕士学位论文第二章系统的硬件控制 在a d 采集每个像元的数据时，采用帧存储器可以提高采集的速度。 在本系统中，数据采集部分的原理如图2 - 4 所示。它是由8 位a d 转换器件、帧存储器、数据缓冲接口电路及在线可编程逻辑器件构成 的地址计数器、同步控制器和地址译码器等单元组成( 3 ”。 图2 4 数据采集与接口电路原理图 a d 转换器采用了美国德州仪器公司推出的高速8 位a d 转换器： t l c 5 5 4 0e 3 8 , 3 9 。它的最高转换速率可达每秒4 0 兆字节。t l c 5 5 4 0 采用 了一种改进的半闪结构及c m o s 工艺，因而大大减少了器件中比较器的 数量，而且在高速转换的同时能够保持低功耗。在推荐工作条件下， 其功耗仅为7 5 m w 。另外，t l c 5 5 4 0 内部还配备有标准的分压电阻，可 以从+ 5 v 的电源获得2 v 满刻度的参考电压，并且可保证温度的稳定性。 缈。枷! ，# 二； 毯乒弋 一，少弋乒 。a ， 。i 。a i 。- q ；。g 。；i n 。 _ - _ 。- j i - - * 。 “。_ 。，“ 。；：。f 。1 l ：；。 、 、；：；。i - _ ，。_ 。 ；：1 d i - d 8 ：三x i 三x = ) c j n 三+ i = 图2 - 5t l c 5 5 4 0 时序图 t l c 5 5 4 0 的运行时序见图2 - 5 。时钟信号c l k 在每一个下降沿采集 模拟输入信号，第n 次采集的数据经过3 个时钟周期的延迟之后，送 到内部数据总线上。此时如果输出使能o e 有效，则数据可由c p u 读取 或进入缓冲存贮器。其中，时钟的高、低电平持续时间t 。( h ) 、t 。( l ) 最小为1 2 5 n s ，时钟周期最小为2 5 n s ，因此最高采样速率为4 0 m s p s 。 1 4 四j i i 大学硕士学位论文 第二章系统的硬件控制 图中t 。a 为数据输出延迟时间，典型值为9 n s ，最大为15 n s 。 由于c c d 的驱动脉冲的频率比较高，一般在1 0 0 k h z 到1 0 m h z ，这就 要求计算机有高速数据采集系统。但当数据采集速度达到1 m h z 时，就 会出现上一次的数据还没有被计算机读取完，下一次采集过程就结束 了的情况，所以高速数据采集系统必然要用到缓存，否则就会造成数据 的丢失。常用的缓存器件有r a m 、s r a m 等，因此在本系统中选择存取 时间为1 0 n s 的6 2 6 4 r a m 芯片作为帧存储器的存储单元，以使其能满足 模数转换器的时序要求。通常，采集板上地址发生电路的器件较多， 时序复杂，可靠性不高。如果选用f i f o ( f i r s t i n f i r s t o u t ) 存储器作为 缓存器n “，虽然可使采集系统时序简单，也无需复杂的辅助电路，但成 本较高。综合考虑这些因素后，选用i s p 芯片，利用用i s p 在线可编 程技术来完成帧存储器的辅助控制，在保证系统可靠性的同时，简化 了电路结构，并降低了成本。 2 3 本章小结 本章提出数据采集系统的电路设计方案，介绍了电路系统的硬件 组成，分析讨论了t d c l 2 0 6 u d 线阵c c d 的结构原理、特性参数及驱 动控制。分析了影响c c d 像敏元光照度的因素，光照度和积分时间等 对_ e c d 像敏元曝光量的影响，给出的c c d 驱动电路的设计方法，并 简要叙述了c c d 输出信号的a d 数据采集原理与硬件实现。i s p 技术 的应用极大地简化了c c d 的驱动电路，实现了完全由程序或在一定 条件下由外部信号主动地对c c d 光积分时间、曝光时间的控制。 四j 1 1 大学硕士学位论文 第三章距离像与强度像的同时获取 第三章 距离像与强度像的同时获取 在很多应用领域，人们希望同时获取被测物体表面各点的坐标信息 和强度信息。例如，在鞋檀三维面形测量中，需要确定揎体表面某些 标记好的特征点和特征线的坐标位置，这时必须从强度像中识别特征 点和特征线，并从距离像中读取坐标。电荷耦合器件c c d 是一种新型 的半导体光电传感器件，当对它施加特定时序的脉冲时，其存贮的信 号电荷便能在c c d 内作定向传输而实现自扫描，其光敏元输出电信 号的强弱即反映了该光敏元受光照射的强弱。因而可以利用c c d 将光 信号转换成电信号，经放大器放大和采样保持后，由a d 转换成计算 机处理的数字信号，并由计算机对数据进行处理，实现在获得距离像 的同时获得强度像。本章提出了激光三角测量中距离像与强度像的同 时获取方法。 3 1 光点距离与强度信息的同时记录 3 1 1 光点中心位置的确定与强度信号的记录 设经a d 转换后的2 1 6 0 个数据y i0 = 1 2 1 6 0 ) 依次存入帧存储器 的第i 个单元。y i 与c c d 上2 1 6 0 个光敏单元的第i 个光强值相对应。 由重心法，可以计算出c c d 上成像光点的重心位置x a 。当光点沿投 影轴方向有微小移动z 时，其成像点在c c d 上也有微小位移ax a ，根 据( 1 13 ) 式，即可计算出该距离z ：同时，对应于重心位置x a 处的 光强值y a 即为成像光点的强度值。 重心的计算方法如下 4 1 】：先对c c d 输出的每个离散信号y 。求出 其相对起始点的面矩，将每个离散信号的面矩累加起来；再求出整个 c c d 上所有信号的积分。前者与后者的商就是要求的信号的重心位置。 整个计算过程如下式 四川人学硕士学位论文 第三章距离像与强度像的同时获取 铲弩塑，i = l ，2 ，3 ， ( 3 1 ) 厶y i 式( 3 1 ) 中x a 为光点像在c c d 上的重心位置；i 是c c d 上离散值的 序号；y 。是第i 个有效采样点的强度值。 为了提高测量精度，有时需要对同一样点多次( 多帧) 采样平均。 即运用( 3 1 ) 式计算出每帧数据的重心位置x a ，再用误差分析的方法 进行处理，求出n 帧平均后数据的重心位置一x a 及其标准差。，x a 的计 算如下 i ：掣，i _ 1 ，2 ，3 ， ( 3 2 ) 厶，一r ( 3 2 ) 式中一x a 为n 帧平均后的光点像的重心位置；y 。是n 帧平均后数 据的第i 个有效采样点的归一化相对强度：i 是采样点序号。 标准差由b e s s e l 公式得到 ( 3 3 ) 式( 3 3 ) 中。是标准差；n 是采样数据的总帧数；x a j 是第j 帧数据的 重心值；一x a 是i 3 帧数据的重，c 一, f f i 的算术平均。 成像光点强度值y a 也可采用重心法计算，如下式所示： 一舻掣，i = m a 。， 测量数据的处理结果如表3 1 所示。 表3 1 ：任意6 个时刻采集的同一位置处光点像的位置和强度重心值 采样 123456 重心 帧数平均 像元 4 0 53 7 24 0 5 4 2 14 0 5 4 4 74 0 5 4 2 74 0 5 4 7 84 0 5 4 5 74 0 5 4 3 4 位置 强度7 1 8 4 6 27 3 6 9 2 37 4 5 9 3 47 3 6 5 9 37 5 1 8 6 87 4 6 0 4 47 3 9 3 0 4 1 7 四川大学硕士学位论文 第三章距离像与强度像的同时获取 对同一位置进行6 次采样后利用( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 3 ) 及( 3 4 ) 式对所采集的这6 帧数据的中心位置进行分析，得到系统对同一位置 的光点像复现性的标准差o t = 0 0 3 6 6 。 3 1 2 自适应光强调整技术的应用 当照射在c c d 上的光强过强时，会使c c d 处于饱和状态，而光 强太弱，又会小于系统最小探测能力。这两种情况都使系统产生测量 误差，不能准确定位光点的重心位置及记录强度信息，因而要设法避 免这两种情况的产生。 从第二章的介绍中得知，c c d 的输出信号与光积分时间有关： 卢觚t = k q( 驴丘t ) 。所以可以根据入射到c c d 上的光强利用软件调 图3 1c c d 积分时间自适应调整的程序流程 瓣弼太攀磺学往论文 第三章糕离像与强度缘黪霜露获取 节光积分时间，进而达到调节c c d 曝光量的目的。这一自动调节过程 由软件实现，稷序流程如辫3 1 所示。 在懿檀溺爨中，兔了撬敬癔逮，可在藏迭涂土竣楗赛更噻黪颠惫， 当光点打在底边t 时，由于颜色较暗，反射到c c d 上的光信号将更弱。 当簇色太涪露，会趱凌无法搽溺囊该娥党强瓣噻嚣，藩到爱光强交适 应技术，则可以改变这种情况。图3 2 蹙在鞋植的一个剖面上以1o 为 间距旋转溺褥的3 6 0 个点崧c c d 上的艇离像，横礁稼为旋转盼角度， 单位为戍，纵嫩标为光点程c c d 上的像的缎置，单位为像素。 旋转角度( o ) 凋3 - 2 鞋摭土以 4 为闯躐提墩豹一个剖嚣熬光点在c c d 上豹距藏豫 3 。2 本章夺缝 本章介绍了光强自适成调熬方法的软件实现，提出了成像光点距 离缘与强度豫静麓时获取方法+ 实验络莱袋鞠，系统熬青较瓣懿一羲 性鞠可靠牲，从嚣 燕明该方法是有效熬、可雩亍豹。 甚d)瓣堪0蠖鬈唾攀叫凸oo 四”l 大学硕士学位论文第四章测量系统精度的影响因素分析 第四章测量系统精度的影响因素分析 随着反求工程和快速成型制造技术的迅速发展，对三维物体形貌 进行快速精密测量的需求越来越大。从工业中非接触三维形貌测量方 法的应用来看，漫反射光接收的三角法是使用最为广泛的方法。目前， 对该方法的研究主要集中在精度的提高上”“。本章针对激光扫描三角 法测量过程中精度的影响因素进行了较详细的分析，并提出了提高精 度的方法。 4 1 精度影响因素分析 4 1 1 物与象对应关系的影响 对于三维物体表面点的位置和象平面上反映该点的坐标之间是一 个三维到二维的变换，物点到象点的映射关系是非线性的。对于这种 非线性关系的标定技术是获取物体三维坐标的关键，这一问题已被广 泛地进