（精密仪器及机械专业论文）镜面反射物体光学三维测量技术研究(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 光学三维测量技术以其高精度、高效率和非接触的优点，已经在工业以及民 用领域得到广泛的应用，但是其技术主要是针对漫反射物体的测量。同漫反射物 体的测量技术相比，镜面物体光学三维测量技术的发展还不成熟，其技术研究已 严重滞后于需求的快速增长。仅就国内而言，目前尚未开展相关的研究工作。因 此、本论文以镜面物体光学三维测量技术为研究目标，有一定的理论意义和实用 价值。论文主要内容包括： 1 、镜面物体光学三维测量技术综述 本文首先在模型上分析7 镜面物体和漫反射物体之问的差异，以及反射模型 对镜面物体光学测量的影响。在此基础上，本文对现有镜面物体光学三维测量技 术的原理和技术特点做了概述，为本文的研究工作提供了基本的技术参照和研究 策略。 2 、“基于平板显示器移动的镜面物体三维测量新方法”的提出 现有测量镜面物体三维面形的条纹投射技术，一般需要获取被测物面的梯度 的信息，存在计算复杂性大的问题。为此，本文提出了一种新的测量方法：采取 让投射器件做特定方向的运动，获取不同投射位置下的多组相位数据。由这些相 位数据，通过对入射光的反向追踪，直接测量被测物体的面形。根据该原理，本 文对测量系统做了详细的几何分析，推导了被测点三维坐标的计算公式，并通过 数值模拟分析了该测量原理的各种误差因素。 3 、镜面物体三维测量条纹图像分析技术研究 本文综合分析了相位分析技术，尤其是包裹相位的去包裹问题。在此基础上， 采用变频条纹投射与时域相位去包裹技术实现了绝对相位的求解，并能克服条纹 图像的严重多义性带来的困难。由于三角测量方法固有的问题，将造成条纹图像 中出现阴影、暗背景等情况，这类区域中的相位数据是无意义的，为了去除这类 无效数据，本文采用了基于调制度自动分割技术，自动识别测量有效区域。实验 验证了这些技术为镜面物体三维测量中的条纹图像处理找到了很好的解决方案。 4 、测量系统的构建 根据本文提出的测量原理，构建了实际测量系统。该系统选择液晶显示屏幕 作为条纹投射设备；选择c c d 摄像机作为条纹图像记录设备；并利用导轨使得 显示屏幕做特定方向上的运动，在不同位置投射条纹。利用该系统，对平面反射 镜和凹面镜进行了实际测量。测量结果验证了本文新方法的正确性。 最后，本文根据课题的研究工作和实际测量经验，指出了下一一步研究需要开 展的工作和建议。 关键词：光学三维测量，条纹投射技术，镜面反射，条文图像分析，时域相位去 包裹 a b s t r a c t o p t i c a lt h r e e d i m e n s i o n a lr 3 - d 1m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sh a v ea d v a n t a g e so v e l o t h e r si ob e i n gn o n c o n t a c t i n ga n dp r o v i d i n gw h o l e f i e l di n f o r m a t i o n a n dh e n c eb e e n e x t e n s i v e l ys t u d i e dt o m e e tt h ed e m a n d so ft h ei n d u s t r i a lo rc i v i l a p p l i c a t i o n s ll o w e , 。e l ，t h e e x i s t i n gt e c h n i q u e sm a i n l ya i mt om e a s u r et h ed i s e dr e f l e c t i o n o b ，e c t s ，o nt h ec o n t r a s t ，t h er e s e a r c ho ns p e c u l a ro b j e c tm e a s u r e m e j ：ri sn o tr i p ea n ( 1 h a sf a l i e nb e h i n dt h eu r g e n tn e e df o ri t i nt h i st h e s i s ，t h eo p t i c a lt h r e e d i m e n s i o n a l i l l e a s l n e l n e n to f s p e c u l a ro b j e c t sa n dt h er e l a t e dt e c h n i q u e sh a v eb e e ns t u d i e df o rt h e r e a s o nj u s td e s c r i b e d ，t h i sw o r kh a st h e o r e t i c a la n d p r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e f h em a i n c o n t e n t so f t h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w ： 1 s u r v e yt h et h r e e d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sf o rs p e c u l a ro b j e c t s i nt h i st h e s i s ，t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e ns p e c u l a ra n dd i f l u s er e f l e c t i o nm o d e l sa n d t h e i re f f e c t s0 1 1t h em e a s u r e m e n ta p p r o a c h e sh a v eb e e na n a l y z e d b a s e d0 1 1t h i s a n a l y s i s ，w ep r o v i d ea no v e r v i e w o fe x i s t i n g3 ds h a p em e a s u r e m e n tt e c m i q u e s r s p e c u l a ro b j e c t st h i so v e r v i e wi sab e n e f i c i a lr e f e r e n c ef o ro u rr e s e a r c hw o r k s 2 p r o p o s ean o v e l3 dm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ef o rs p e c u l a ro b j e c t sb ym o v i n g t h em o n i t o rs c r e e n t h ee x i s t i n g3 dm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e sf o rs p e c u l a ro b j e c t sn e e dt o g e tt h e d i s t r i b u t i o no fg r a d i e n to v e rt h em e a s u r e do b j e c ts u r f a c e s ，t h u sm a k i n gc o m p u t a t i o n c o m p l e x i t yp r o h i b i t i v e t os o l v et h ep r o b l e m ，w ep r o p o s ean o v e lm e t h o dt h a ta l l o w s t h ep r o j e c t o r ( l c dm o n i t o rs c r e e n ) m o v i n gi nag i v e nd i r e c t i o na n dt od i f f e r e n t p o s i t i o n ss ot h a tm o r et h a no n eg r o u po f p h a s ed a t ac a nb ec a p t u r e d f r o mt h e s ep h a s e d a t a ，t h es h a p eo fm e a s u r e do b j e c t sc a nb ec o m p u t e dd i r e c t l yw i t h o u tk n o w i n ga n y g r a d i e n td i s t r i b u t i o n s t h eg e o m e t r yo fm e a s u r e m e n ts y s t e mi sa n a l y z e da n dt h e r e l a t e df o r m u l a sa r ed e d u c e d t h ee r r o r - i n d u c i n gf a c t o r so ft h i st e c l m i q u eh a v eb e e n d i s c u s s e db yu s eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r yi s v a l i df b rs p e c u l a ro b j e c tm e a s u r e m e n t 3 d or e s e a r c ho np h a s ea n a i y s i st e c h n i q u ef o rs p e c u l a ro b j e c tm e a s u r e m e n t i nt h i ss e c t i o n ，w eh a v es u r v e y e dt h ef r i n g ei m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e su s e di n s p e c u l a ro b j e c tm e a s u r e m e n t ，e s p e c i a l l yt h ep h a s eu n w r a p p i n gt e c h n i q u e s ，a n d e m p l o y e dt h et e m p o r a lp h a s eu n w r a p p i n gt e c h n i q u eb a s e do nm u l t i f r e q u e n c yf r i n g e p r o j e c t i o nt or e c o v e rt h ea b s o l u t ep h a s eo fc a p t u r e df r i n g ep a t t e r n s t h i st e c h n i q u e a l l o w sn o to n l ya u t o m a t i c a l l yr e t r i e v i n gt h ea b s o l u t ep h a s ed i s t r i b u t i o nb u ta l s o o v e r c o m i n gt h ea m b i g u i t yi nf r i n g eo r d e r s b e c a u s eo ft r i a n g u l a t i o nn a t u r eo ft h i s m e t h o d ，t h e r em a yb el o c a ls h a d o wo ru n l i g h t e db a c k g r o u n di ns o m ea r e a si nf r i n g e p a t t e r n s a n dt h e s ed a t aa r en o tv a l i df o rm e a s u r e m e n tt oo v e r c o m et h i sp r o b l e m a n a u t o m a t i cs e g m e n t a t i o nt e c h n i q u eb a s e do nf r i n g em o d u l a t i o nd i s t r i b u t i o nh a sb e e n p r o p o s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a tt h et e c h n i q u e sm e n t i o n e da b o v e c a ng i v eag o o ds o l u t i o nf o rf r i n g ei m a g ep r o c e s s i n gi n3 dm e a s u r e m e n to fs p e c u l a r o b j e c t s 4e s t a b l i s ht h es p e c u l a ro b j e c tm e a s u r e m e n ts y s t e m j 1 3t h i sp a p e r 、i i c i n g cp r o j e c t i o n1 se m p l o y e da sm n d a m e n t a lm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e a n 【tan o v e lt e c l m i q u ei s p r o p o s e dt oe x t e n dt h i sp r i n c i p l ei n t h e1 t l e a s i l r e n l e n t s p e c u l m 。o b j e c t s f o rt h ep u r p o s e ，w eh a v ed e v e l o p e das i n g l e v i e wm e a s u r e m e n l s y s t e m i ni t 、ai , c dm o n i t o rs c r e e ni su s e da sf r i n g ep r o j e c t o r ，ac c dc a m e r ai su s c d t oc a p t u r et h ed e f o r m e df r i n g ep a t t e r n ，a n dap r e c i s et r a c ki su s e dt oa i dm o v i n gt h e m o n i t o rs c r e e ni nap r e d e f i n e dd i r e c t i o n ，t h u st h ep r o p o s e dt e c h n i q u ec a nb eu s e dt o n t e a s t 1 r ct h e3 ds h a p e so fs p e c u l a ro b j e c t s i ne x p e r i m e n t s ，b o t ht h ef i a ta n dc o n c a v e 1 t 1 1 1r o l 。sa r em e a s u r e d ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ep r o p o s e dt e c h n i q u ei sv a l i d i na d d i t i o n ，t h et h e s i sa l s op r o v i d e ss o m ea d v i s e sa n di d e a sf o rt h ef u t u r ew o r k k e yw o r d s ：o p t i c a lt h r e e 。d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n t ，f r i n g ep r o j e c t i o nt e c h n i q u e s p e c u l a rr e f l e c t i o n ，f r i n g ep a t t e r na n a l y s i s ，t e m p o r a lp h a s e u n w r a p p i n ga l g o r i t h m 原创性声明 4 、人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究i 1 1 ：。 、 、隙r 义叫t 特别加以标注雨1 致谢的地方外，沦文中不包含其他人已发表 ! 戈撰“j 过的研究成果。参与i 刊工作的其他同忐对本研究所做的任何 - ! 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期 本论文使用授权说明 本人完全了解卜海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅利借阅；学校。j 以公仃论文的令部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名 壬，1 导师签名：型丝生 口期： 镜面反射物体光学三维测量技术研究 第一章概述 第一章：概述 1 1 课题的研究意义 “镜面反射物体光学三维测量技术研究( r e s e a r c h ( ) no p t i c a l t h r e e d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n tt e c h n i q u ef o rs p e c u l a ro b j e c t s ) ”试图以光学方 岳为手段，实现镜面反射物体( s p e c u l a r o b j e c t s ) 三维面形的快速测量与重建。 1970 年代以来，光学三维测量技术以其高精度、高效率和非接触性 ( n o n c o n t a c t ) 的优点，已经在工业及民用领域得到广泛的应用和发展1 2 l 。首 先，在工业领域，光学三维测量技术的作用是为先进制造业服务，担负起保 证产品质量和提高生产效率的重任。特别是在航天航空工业、汽车制造业中， 其应用可贯穿于从产品开发到制造，以及质量控制的整个生产过程；具体如 在c a d c a m c a e ( 计算机辅助设计制造工程) 中替代接触式测量，用于构 建逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 系统，为产品开发和仿真加工制造提供一一种 理想的设计手段。其次，在非工业领域亦有广阔的市场空间，比如在多媒 体技术及虚拟现实技术i3 i 中的应用、在医疗诊断| 4 】及人类学i5 i 中的应用等 等。 但是，现有光学三维测量主流技术及其设备主要针对的是漫反射物体 ( d e f u s e do b j e c t s ) 的三维测量，而难以有效地测量镜面物体。而在实际应用 中，大量被测物体的表面性质为镜面反射。特别是在工业领域，镜面反射物 体更是占有较大比重。例如，抛光模具等精加工零部件、某些表面涂镀零件 ( 如喷镀汽车覆盖件) 、某些玻璃及塑料制品以及印刷线路板的焊点等，其表 图1 - 1 工业中常见的镜面反射物体 ( a ) 喷镀车身( b ) 印刷线路板的焊点( c ) 抛光模具( d ) 精加t 零部件 面性质均为镜面反射。图1 1 是工程中常见的镜面反射物体。目前，对于这 类零件的三维检测一般采用两种办法： 其一，呆用传统的坐标测量机( c m m ) 等接触式测量设备，速度很慢； 其二，喷涂其表面，改变其反射特性为漫反射后用光学方法测量【1 1 ，这 种方法削弱了光学测量方法的非接触优点。 事实上，镜面物体的光学三维测量技术研究已严重滞后于需求的快速增 氏，对其研究具有重要的科学技术价值。从实用性的角度，该技术研究来源自 2 2 程中的实际需求，其成果必然具有良好的应用前景；从技术角度，其意义 在于镜面反射物体的光学三维测量已经成为工程测量领域中一个亟待解决的 技术难题，对其开展研究，有助于丰富光学三维测量领域中的知识成果，从 而拓宽光学三维测量技术的应用领域。 镜面反射物体光学三维测量技术研究 第一章概述 1 2 反射模型与镜面物体测量的难点 不同反射性质物面的测量技术具有不同的物理数学模型。物体表面反射 性质主要分为漫反射与镜面反射两种。而镜面物体同漫反射物体在反射模型 上的差异正是制约镜面物体光学三维测量技术发展的主要因素。这种差异体 现在几何特性和物理特性两个方面上。 譬等盅糟 图1 - 2 镜面反射与漫反射示意图( a ) 镜面反射( b ) 漫反射 1 2 1 几何特性 镜面反射与漫反射的几何模型可以由图1 2 来示意，其中图1 2 ( a ) 是镜 面反射示意图，圈1 2 ( b ) 是漫反射示意图。其中可以看出物体表面发生漫 反射时，反射光线向所有方向散射，从而可以保证探测器在一个较大的视角 内均可捕捉到反射光线。与之不同，镜面在某一方向反射所有的入射光。相 对于镜面法线，反射角与入射角相等。镜面反射的这种方向性，将使得位置 固定的图像采集系统无法保证能够捕捉到反射光线，即可能出现测量盲区： 其次，即使图像呆集系统能够捕捉到反射光线，被测镜面物体的面形数据也 严重依赖于物面的法向信息，使测量变得极其困难。另外，使用基于三角测 量( d i a n g u l a t i o n ) 原理的各种光学技术，如结构光( s t r u c t u r e dl i g h t ) 技术、 立体视觉等测量镜面反射物体时，将出现严重的图像多义性问题。这里的图 像多义性是指物体的面形测量数据和物面朝向相关，而不仅仅决定于图像中 的像素位置，即使从不同方位投射来的光线，可能被传感器上同一个像素点 接收。如在图1 3 中，入射光经物体1 反射后沿着光路1 到达接收位置1 。然 而对于物体2 上的位置相同的面形点，由于法线方向的不同而造成图像传感 器在位置2 捕提到反射光线( 光路2 ) 。同时还会发生一种情况，传感器上同 一象素点所对应的是不同空间位置的点，如光路1 与光路3 ，具有很大的不 确定性。镜面物体测量中的图像多义性是需要解决的关键问题。 一一一一“一蕊二。t 3 图1 - 3 图像多义性说明图 2 镜面反射物体光学三维测量技术研究 第章概进 1 2 2 、光照模型 玛外可阻从成像物理学角度描述镜面反射与漫反射之间的差异。物体表 面每一一点的亮度取决 二光的照明情况和物体表面的特性。据此所建立的光强 计算公式，称作光照模型i 其巾表面特性主要考虑物体表面的反射性，如 入刺光有多少被反射。物体表面的反射光分为漫反射光和镜面反射光，而根 据照明的买际情况，谩反射光又可以分为环境光( 泛光) 的漫反射和贝体光 源( 点光源) 所发出的入射光( 聚光) 的漫反射。它们三者都具有不同的光 照模型表达式。 i 2 2 l 、环境光 环境光的漫反射可以认为是周围景物如墙壁，天花板，地面等散射出来 的光穿过物体表面而反射出来的光，没有直接的光源和固定的光线方向。即 光线在任何地方都被认为是均匀昀，其漫反射出来的光均匀的散布在各个方 向。所以被照射物体的备个部分具有相同的明暗度。其数学模型为- 局= ，。k 。( 1 一1 ) e ：物体表面i 的一点反射出来的光能。 k = 泛光的浸反射系数或称反射度。根据表面的反射性质介于0 1 之间。 ，。：物体在漫反射照明目受到的光能强度，即泛光光强。 1 2 2 2 、完全漫反射 由l b e rc 定律可知，一个完全漫反射体表面上某一点所反射出来的光 的强度与入射光和物体表面上点的法向量成正比，即入射光的漫反射量为： 2 = i o , 尼dc o s o 0 6 l 厅2 f 1 2 ) 止z ：为入射光的漫反身j 强度： ，。：为从点光源发出的入射光的光强 2 一：入射光的漫反射系数( o a a 1 ) ，其值由物体表面妁材料性质决足； 口：为入射光l 与表面上点的法向量n 之间的夹角： 在实际场景中，巷的漫反射量是上述两者的和，即： e = i ，k ，+ id k dc o s ot 1 - 3 、 1 , 2 2 3 、镜面反射 除漫反射外，在光源的照射下，物体表面可以产生高亮度或者亮点即 产生所谓的“高光效应”，称为镜面反射。镜面反射光的数学模型可以用p h 。n 。 e = ，d ( ，目) c o s ”口 r 1 4 1 e ；：为入射光的漫反射强度 e ，为入射光的漫反射强度 3 镜面反射物体光学三维测量技术研究 第一章概述 ，“：为从点光源发出的入射光的光强 ( ，j ：为物体表面的反射率，他是入射角0 和光波长五的函数； “：观察者观察这种现象时视线方向与反射光线之间的夹角； 从上述的漫反射光照模型公式( 1 3 ) ，我们可以得知漫反射的反射光强 分布只和入射光源的位置以及物体的面形有关，而不依赖观察者所在的位 置。也就是说对于表面某一点的反射光强，从任何角度接受都是相同的。而 从式( 卜4 ) 中可见镜面反射的反射光强随着8 1 的变化而变化，甜反映的是观 察者的位置，如果d 很大，光强将很小，将造成采集图像的阴影和暗背景。 而当口很小，比如何= 0 ，即视线与反射光线重合时，所见到的亮度最大，将 出现亮点，出现图像饱和问题。这些都将造成测量的失效。 从镜面反射的特点出发，许多研究人员发展了一系列不同测量原理的镜 面物体三维面形测量技术，这将在1 3 节中将教具体介绍。 1 3 镜面物体光学三维测量技术概述 如前面所述，现有光学三维测量主流技术难以用于测量镜面物体。近2 0 年来国内外许多学者对这一课题进行了研究，针对具体测量对象也提出了一 些具体的解决方案。这些技术或方法主要分为主动式和被动式两大类。其中， 被动测量以“基于光度学的测量技术”和“从镜面反射成分恢复面形技柑 为代表。主动测量主要是采用结构光测量技术，包括：点结构光扫描技术； 光带扫描技术；面结构光技术。这些技术主要针对特定目标的测量，并 且大多都只能获得较低的测量精度。这里将分类介绍现有的镜面反射面形光 学三维测量技术的基本原理及其特点。 1 3 1 被动式测量 1 3 1 1 基于光度学的测量技术 被动测量方式呆用非结构照明方式，由视觉系统接收来自场景发射或反 射的光能量。被动式测量镜面物体三维面形的典型代表是光度学技术。光度 立体法是其中重要的一种，该方法采集在不同光照条件下的多幅图像，利用 反射图和反射模型l 7 , 8 , 9j 从图像的灰度信息恢复物体的面形。图1 4 是光度立 体学的原理图，其中图4 ( a ) 是其空间布置图，图l 一4 ( b ) 是不同位置的光源照 明下采集的图像。基于该原理，w o o d h a m l l 0 , 1 1j 最早提出用于测量漫反射物体 的光度立体法，只需要三个点光源照明就可以求解物体面形。一些学者从该 方法出发，提出了测量镜面物体的方案。例如i k e u c h i 【1 2 l 用三点扩展光源照 射镜面物体，在被测物体空间方位和光源位置已知的条件下，建立图像灰度 值与光源辐射能量之间的映射关系，通过该映射关系求解物面方向( s u r f a c e o r i e n t a t i o n ) 。该方法对图像灰度测量的精度要求较高，灰度测量将直接影响 到物面方向的求解精度。c o l e m a n 和j a i n ”l 以及s o l o m o n 和i k e u c h i l l 4 均在 其装置中采用了四点光源依次照射物体以测量面形，该技术的关键是分析反 射中是否存在镜面反射成分，并设定阈值去除该成分，再利用传统的光度立 体法计算物面方向。 不同于上述方法，从图像明暗恢复面形技术是从一幅图像中的灰度信息 计算物面方向。基于该原理，b a b u 等| 1 5i 用镜面反射模型估计镜平面物体的 4 镜面反射物体光学三维测量技术研究 第章概述 表面方向，该力法的关键是由图像的光强等高线分布估计反射模型参数，利 j i 这些参数与物面方向之间存在的映射关系求解物体的表面方向。该方法适 合测量面形简单的镜面物体。在获得物面方向分布信息后，从己知深度的物 图1 - 4 光度立体法原理图 ( a ) 光度立体学空间布置( b ) 不同光照下的物体表面亮度分布 面一一点开始，对局部表面法矢求积分就可以得到同一目标其他点的深度值。 光度立体法和从图像明暗恢复面形技术都需要关于物体表面性质、光源位置 等先验知识，因此实用性受到很大的限制。 1 3 1 2 从镜面反射成分恢复面形 测量镜面物体时往往会出现高光( h i g h l i g h t ) 等特殊的视觉和物理特征， 这些特征统称为镜面反射成分6 ( s e c u l a r i t y ) 。已有不少学者利用镜面反射 成分的特性重建镜面物体的三维面形。 结构化高光技术( s t r u c t u r e dh i g h l i g h tt e c h n i q u e ) 是针对高光分析的一种 技术，该方法的基本原理是采用空问方位已知的多点光源照明，由位置固定 的摄像机采集带有高光的图像。通过光源的顺序照明，获得高光点和光源之 间的对应关系。由光源方向和摄像机方向计算出镜面物体的物面方向。多点 光源照明可以保证获取整个镜面物体的面形信息，如n a y a r 等| 1 7 1 8i 采用了 1 2 7 点光源。这一技术主要被用于检测印刷线路板焊点的特征，难以得到精 细的三维重建结果。另外，有一些学者提出从运动高光恢复镜面物体面形 ( s h a p ef r o mm o v i n g h i g h l i g h t s ) 。该技术的关键是辩识镜面反射成分。当视 点移动时，纹理等特征相对于其所在物面是静止的。与之不同，高光将随着 视点的移动而在镜面物体表面移动。由于摄像机的空间位置一般很难精确控 制，一般让摄像机固定，而控制待测物体平动和旋转。z h e n g 等l1 9 , 2 0 i 将被测 物体放在转台上使其旋转，连续采集不同时刻的图像记录物体的运动信息。 通过分析多幅图像中高光点的总体运动规律可以定性区分镜面物体的面形 形状。利用高光点的运动轨迹，通过微分方程和线性方程组的求解可以直接 获取物体面形。 光的偏振分析也是实现镜面物体三维重建的重要手段。光线发生镜面反 射后将发生偏振。反射光线通过方向不同的偏振镜后的强度是变化的，而且 光湿是偏振镜角度的正弦分布1 2 。u m e y a m a 等| 2 11 通过i c a ( i n d e p e n d e n t c o m p o n e n ta n a l y s i s ) 算法可以精确的分辨出镜面反射和漫反射成分。而 m c g u m i 等【22 | 只需找出正弦光强分布的最大值和最小值，来计算偏振强度 【d e g r e eo fp o l a r i z a t i o n ) 。而由光线的入射角与偏振强度问的映射关系可以 5 镜面反射物体光学三维测量技术研究 第一章概述 方便的计算出光线入射角，从而得到物体的表面法矢信息。 1 3 2 主动式测量 主动式测量是指测量系统向待测物面发射能量，然后接受其反射而实现 测量；其中，结构光技术是一种应用较为灵活的技术。根据所采用的光源形 式、该类技术主要包括点结构的激光扫描技术，线结构的光带扫描技术，全 场方式的面结构光技术。根据面结构光的编码方式的不同又可分为图案编码 和相位编码，后者一般称为条纹投射技术。 1 3 2 1 激光扫描技术 激光以其高亮度和具有良好方向性的特点常被用于物体的三维测量。针 对镜面物体，r y o 和c h o | 2 川采用了图1 5 所示的测量装置。该装置采用了激 光作为扫描光源，通过电流计扫描部件精确控制出射光线的方向，对目标物 体进行逐点扫描。光线经物面反射后由抛物面镜会聚到分布于抛物面镜中心 柱面上的图像传感器阵列上，会聚光线的方向由图像传感器测量。由会聚光 线方向和已知的入射光线方向，通过复杂的空间关系计算物面上每一点的法 线方向，再由数值积分运算获取物面分布。该装置原理简单，入射光线和反 射光线的对应关系清晰。但测量系统一次只能测量一个物面点的法线方向， 测量的效率较低。 图1 - 5 激光扫描技术的装置示意图 图i - 6 激光测距仪的光路原理图 1 3 2 2 光带扫描技术 传统的激光测距仪可以有效的用于测量漫反射物体，面形三维坐标的计 算仅仅依赖于图像中像素的位置。雨镜面物体测量不能满足这一条件，图像 具有严重的多义性。为了解决这一问题。b a b a 等【2 4 笛1 设计了一种新型的激 光测距仪，图1 - 6 是其光路示意图。该装置采用遮挡板( s h i e l dm a s k ) 保证 反射光线以相同角度进入摄像机中成像，这样就简化了建立空间坐标和像素 坐标之间映射关系的难度。通过相对简单的映射关系式便可由激光光带变形 所带的三维信息计算镜面物体的面形。 1 3 2 3 编码图案投影法 编码图案投影法对投影图案进行空间编码，能够大大提高测量速度。例如 6 镜面反射物体光学三维测量技术研究 第一章概述 s e u l i n 等2 “2 8 用结构光动态扫描金属零件表面以检查曲面缺陷，其系统装置 如匿1 7 所示。对结构光源进行二值编码，通过这种特殊的照明系统，物体 表面的缺陷可以用图像中黑色背景上的一系列亮点来表征。该技术中物体面 形由物面法线表示，而求解物面法线的关键是获取图像像素对应的光源出射 点，这可以由图1 _ 8 的照明和成像模型逆向跟踪每一条反射光线实现。另外 应用某些特殊图样对光源编码，通过对光源和图像之问进行区域相关性匹配 运算也叮建立象素点和光源出射点之间的对应关系。例如k i y a s u 等1 2 州采用 _ 值化光源 明亮区域暗区域 摄像机 六 么 | _ ! 强。 面礁距 射老 图1 7 照明原理图 图1 - 8 光线逆向跟踪算法的图像系统模型 了m 排列编码对镜面多边形体的面形进行了重建，其测量精度可以达到 1 m m 。编码图案投影法中，匹配像素和光源出射点的算法比较复杂，往往通 过对物面面形和照明成像模型增加一定的约束来简化难度，造成测量精度不 高，应用范围有限。而采用相位编码的条纹投射技术近年来是用于解决镜面 物体三维面形测量的研究热点，本文是采用条纹投射技术实现测量镜面反射 物体三维形状的直接测量，在下一小节中将具体介绍近年来条纹投射技术在 镜面物体三维面形测量中的发展。 1 3 。2 。4 、条纹投射技术 测量镜面物体三维面形的条纹投射技术仍然以相位测量法原理为基础， 但是在测量系统上与传统条纹投射技术有明显不同。这类技术的关键是如何 将相位分布转化为物体面形分布，但是其间映射关系严重依赖物面法线方向。 图1 - 9 是反向反射轮廓术”“”l ( r e d o r e f l e c t i v e m e t r o l o g y ) 的两种典型装置， 这两种装置中都会产生反向反射过程：经物面一次反射的光线经过一块面积 较大的反向反射屏幕再次反射后将光栅投射到物面上。摄像机可拍摄变形条 纹图像，其相位信息同物面的倾角存在一定的映射关系，计算出的物面倾角 通过积分过程获得面形分布。所不同的是图1 - 9 ( a ) 装置采用点光源，用傅 立叶算法从单幅条纹图中获得相位分布，而图l 一9 ( b ) 装置中的投影机可以实 现相移，可以由相移算法计算相位分布，这将提高相位计算的精度。该方法 主要用来测量类平面镜面物体的面形，测量深度一般小于1 0 u m 。 以显示器屏幕( 包括电视机屏幕及计算机液晶平面显示器屏幕等) 作为 投影设备，采用条纹投射技术实现镜面物体的三维测量已经引起较多研究者 的注意，这是一种全场方式工作的测量技术，速度较快。其中，首先通过条 纹处理技术获得相位( 或者相位差) 分布，再转换成物面分布。p e r a r d 等3 3 7 镜面反射物体光学三维测量技术研究 第章概述 以贝塞尔曲线多项式拟合被测曲面，从而为计算物面曲率提供了足够的约束 条件，这一方法的计算过程较为复杂。h u n g 等3 4 1 认为光栅条纹的变形是物 荷的梯度变化所造成的，变形光栅所含有的相位表示成： ( 娑) l ( 1 - 5 ) 0 x 涂有线性光栅的反向反射板 洲iii iii 蜒l ：- 娥 幽1 - 9 反( - 1 反射轮廓术的光学设置 ( a ) 投射采用点光源；( b ) 投射采用投影机 其中p 是光栅节距，研，k 与系统参数有关。通过一个简单的在线标定一将标定物 旋转一个小角度以，则物面梯度o h o x 将发生均匀变化，式1 - 5 中的相位表达式将 变成： 护黑卜c 豢崛) 1 m s ， 将旋转后的相位( 式1 - 6 ) 减去未旋转前的相位( 式1 5 ) ，相位的变化值为： 识一= 一二去k 吃= k o ( 1 7 ) 其中k = 一2 k m p 表示系统参数，那么从公式1 7 可以方便的求解出k 。当选用 一个平面镜子作为参考面( 相位表达式为庐。= 2 n x l m p ) 时，可以方便的从公式 ( 1 8 ) 中计算出被测量物体的物面梯度。 婴：盥( 1 - 8 ) 缸趸 求解出梯度后以数值积分方法求解面形，该技术操作相对简单。上述的几种方法 都使用了积分过程，只能得到近似的映射关系，精度有限。 为了避免数值积分计算，y a m a m o t o 等i 驺l 采用条纹变频技术测量镜面物体 面形。图l 一1 0 是其测量原理图，其测量的基本原理是：分别投射图1 。1 1 所示的 两种不同方向的光栅条纹，他们与横向轴的夹角分别为0 和0 ，节距为p 。由 c c d 摄像机获得两幅变形光栅图像，周相移算法分别计算出两次投射的相位分 布。对于每个像素点尸，假设两次投射中获得的相位分别记为矾和以，那么象 素只在投射参考光栅平面中的对应点p r 在投射平面( x ”o ”y ”) 坐标就通过联立 求解式( 1 9 ) 8 镜面反莉秘侮光学三维测萋靛术婿究 第一章概述 求群，则只( 盖，i ”) 为 一t a n 印+ 譬击 j ，”：t a n 酋。，+ 礁上 2 2 z c o s 8 2 f l 一 f 。羁1 川：! ! 童：兰型 。一 2 z ( t a n 0 1 一t a n 0 2 ) ( 卜l o ) r ”= t a n 最，并， 。+ 盟2 z - c o - s 一毋, 图1 1 0 测量原理图 这样将一个空间坐标已知的物面点作为迭代求解过程的初始条件，计算出图 像所有像素对应的物面点的空阀坐标。 另外y a m a m o t o 等6 】为了测量面形变化大的物体如椭球镜、非球面镜等， 采用了图1 1 2 中两个半径不同的圆柱形光栅，是一种非平板投射形式。圆柱光 栅半径的改变造成条纹投射装置在特定方向上的运动，由相位计算出面形分布。 这种方法为解决映射关系复杂性提供了一种很好的思路。 关于镜面物体三维测量技术的发展现状，通过上面的分析，可以得出如下的 结论：现有技术的发展还不成熟，许多技术只是针对特定目标的测量；技术 原理比较分散，主流技术尚未形成；仅从文献检索结果看，国内尚未有人开展 相关研究5 - 作；显然，镜面物体三维测量有较大的研究发展空间。对其进行研究 可以结束我国在这一领域的竞争中长期了无踪影的局面。 9 镜面反射物体光学三维测量技术研究 第一章概述 图1 - 1 1 参考光栅示意圈( 具有不同方向) 图1 - 1 2 圆柱形光栅示意图 1 4 本文技术路线及研究内容 为了实现镜面物体面形的三维测量目的，本文选择条纹投射技术作为测量手 段，采用平板显示屏幕( 液晶显示器屏幕) 作为光栅投射设备，与c c d 摄像机 构成测量传感单元；结合可移动的精密导轨驱动投射器件运动，形成镜面物体的 测量系统；投射变频条纹并利用时域相位解包裹技术求解被测物面上的绝对相位 分布，进而由不同投射位置上计算的相位分布获取被测物体的面形三维数据。本 文的创新之处在于将条纹投射器件做特定运动，在不同的投射位置上获取的多组 条纹相位用来直接计算出镜面物体的三维面形数据，克服以前技术中计算复杂大 的问题；同时本文采用平板显示器作为投射器件，改进了条纹投射技术测量镜面 物体的方法，通过编程投射变频条纹并结合时域相位去包裹技术实现绝对相位的 自动求解，克服了条纹图像严重多义性带来的困难。 本文的章节排列如下： 第一章，本文概述，主要说明了镜面物体三维测量技术的研究意义；从反射模 型上说明了镜面反射与漫反射之间的差异以及测量中出现的问题和特征；对现有 的各种镜面物体三维测量技术的原理和技术特点作了归纳分析；最后简单的阐述 了本文所要采用的技术路线和研究内容。 第二章，首先介绍了条纹投射技术的基本原理；针对现有测量镜面物体的条纹 投射技术出现的计算复杂性高等问题，本文提出了“基于平板显示器移动的镜面 物体测量新方法”，详细介绍了测量方案，原理及几何分析。并进行了计算机模 拟和误差分析。 第三章，介绍了条纹投射技术中条纹图像处理的相关技术，尤其是变频技术和 时域相位去包裹技术。本章呆用变频技术和时域相位去包裹技术是为了实现绝对 相位的自动求解，并克服图像多义性对去包裹运算的影响。为了识别有效测量区 域，本章借鉴图像分割的基本原理，以条纹图像的调制度作为分割信息，采用迭 代法实现自动求解。 第四章：根据本文提出的测量方案构建了实验系统。对样件进行了数据实际测 量处理。 第五章：对本文工作进行总结，展望了未来研究的方向。 l o 镜面反射物体光学三维测量技术研究 第二章条纹投射技术测量镜面物体三维面形 第二章：条纹投射技术测