（精密仪器及机械专业论文）运动物体三维面形快速检测技术研究(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、非接触和全场方式等优点， 在工业及民用领域的许多方面等得到了广泛使用，但是其现有技术主要针 对静态物体的测量。近来，运动或动态物体三维面形检测技术是国内外研 究的一大方向和热点。运动或动态物体三维面形检测要求快速采集图像并 能对其实时处理，从单幅图像获取物体面形是实现测量的关键所在，也是 本文的研究重点。本项工作围绕运动物体三维面形快速检测的目的，提出 了一些新的适合运动物体三维测量的单幅条纹图像处理方法，并将其用于 实际测量。论文主要内容如下： l 、三维物体光学快速检测技术综述 本文主要从软件和硬件二个方面阐述了运动三维物体面形快速检测 技术，通过对各种测量方法的分析，指出了它们的优点和局限性，为本文的 研究工作提供了基本的技术参考和研究策略。 2 、自适应空间载波相移法研究 提出了一种自适应空间载波相移算法。该算法利用一线性递推公式描 述了条纹图像中一像素点的强度值可由前三个连续像素点强度值表示，通 过计算像素点的位相增量的无偏估计值来获取该点的位相增量值，再由连 续像素点位相增量的累加得到相移量，进而用传统最小二乘相移算法计算 位相分布。该算法可获取每一像素的相移量，从而能够测量变化较剧烈的 位相分布：同时，该算法勿须知道每条纹中包含的像素数，通用性好，有 利于实现自动测量；另外，计算过程不需要迭代，计算量较小和能较好的 抑制噪声。该算法从单帧图像恢复物体面形，适合运动物体三维面形的测 量。 3 、均布式合成条纹图像法研究 传统的结构光技术测量三维物体面形需要获取多幅条纹图像，对调制 度或反射率不敏感，但是在测量运动物体时，此优点在条纹投射或采集过 程中被物体的运动所破坏。合成条纹图像法有效的解决了物体运动带来的 不利因素，该方法把投射的多幅条纹图像合并成单幅条纹图像，能够进行 实时测量。本文提出的均布式合成条纹图像法解决了传统合成条纹图像法 中易于引起混频的现象能获得更好的三维物体面形。该技术能实现运动 物体视频。 4 、运动物体三维测量应用软件的实现 为验证自适应空间载波算法和均布式合成条纹图像算法二种算法的 有效性，开发集条纹投射程、图像采集程序和图像处理一体的程序。该软 件强调了v c 调用c o m b u i l d e r 生成的控件编程技术对软件实现有很大的可 取性。该软件实际测量了静态和动态物体，实验结果表明本文所提出的自 适应空间载波算法和均布式合成条纹图像算法二种算法对实现三维物体面 形快速测量是有效的、可行的。 关键词：光学三维检测，条纹投射技术，运动物体三维面形，自适应空间 载波相移法，均布式合成条纹图像法 a b s t i 醯c t t h eo p t i c a lt h r e e d i m e n s i o n a l ( 3 d ) m 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 s o v e ro t h e r si n b e i n gn o n c o n t a c t i n ga 1 1 dp m 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 d h e n c eb e e ne x t e n s i v e l vs t u d i e dt om 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 h o w e v e r ，t h ee x i s t i n gt e c h n i q u e sm a i n l va i mt om e a s u r et l l es t a t i c o b i e c t sr e c e n t l y ，t t l e r ei sa2 r o w i n 叠r e s e a r c hi n t e r e s t i nm e3 dm e a s u r e m e n t t e c h n i q u e sf o rm o v i n go rd y n a m i co b j e c t s t h e s et e c h n i q u e sn e e dr a p i di m a g e c 印t u r i n ga n dr e a l t i m ed a t ap r o c e s s i n g ，t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n gm et e c h n i q u e st h a t a l l o wr e t r i v et h ed e p t hi n f o m a t i o nf r o mas i ng l ei m a g ei sc e n t r a lt ot h e m e a s u r e m e n tp r a c t i c e i nm i sw o r k s o m en e wm e a s u r e m e n tt e c h n i q u e st h a ts u i t a b l e f o rt h e3 dm e a s u r e m e n to fm o v i n 2o b l e c t sh a v eb e e np m p o s e d t h em a i nc o m e n t s o ft h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da sf b l l o w ： 1 s u r v e yt h ea r to fs t a t eo ft h eo p t i c a l3 - dm e a s u r e m e n “e c h n i q u e sf o rm o v i g o b j e c t s i nt h i st h e s i s ，t l l e3 一dm e a s u r e m e mm e t h o d sf o rm o v i n go b j e c t s ，s u c ha st h o s e b a s e do ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，h a v eb e e nt i l o r o u 曲l ys u e y e d w eh a v ea n a l y z e d t h ea d v a n t a g e s ，a n ds i m u l t a n e o u s l ym a d es o m ec o m p a “s o n sa n dc o m m e n t so nt h e l i m i t a t i o n sa n dr e s t r i c t i o n so ft h e s et e c h n i q u e s ，s ot h a tab e n e n c i a lr e f e r e n c ef o ro u r r e s e a r c hw o r kh a sb e e np r o v i d e d 2 p r o p o s ea na d a p t i v es p a t i a l c a r r i e rp h a s e - s h i f t i n ga l g o r i t h m a n a d a p t i v es p a t i a l c a r r i e rp h a s e - s h i r i n ga l g o r i t i s p r o p o s e d i n s p a t i a l c a r r i e rp h a s es h i r i n gt e c t h l i q u e ，t h ei n t e n s i t ya te a c hp i x e lo f 衔n g ei m a g e c a nb ep r e d i c t e df o mm r e e 口r e c e d i n 2p i x e l sb vu s eo far e c u r s i v ef b r n l u l a b a s e do n t h i sf b r m u l a ，w ed e d u c ea i lu n b i a s e da l g o “m mt oe s t i m a t et l l ep h a s ei n c r e m e n t s b e t w e e nc o n s e c u t i v e 口i x e l s t h ep h a s es h i f t sa te a c hp i x e la r eo b t a i n e db vt h e s u m m a t i o no ft h e 口h a s ei n c r e m e n t s ，a 1 1 dt h e nt h ep h a s ed i s t r i b u t i o ni sr e c o v e r e db v u s eo fl e a s t - s q u a r e sa l g o r i t c o m p a r e dw i t he x i s t i n ga l g o r i t s ，m i sm e t h o dh a s s e v e r a la d v a n t a g e s f i r s t ，i ta 1 1 0 w sr e c o v e r i n gt h es t e e p l yv a r y i n gp h a s ed i s t r i b u t i o n s e c o n d ， t h ec o m d u t a t i o n a lb u r d e ni s e a e c t i v e l v a l l e v i a t e db e c a u s et h e t i m e l o n s u m i n gi t e r a t i v e 口r o c e d u r ei sa v o i d e d b e c a u s et h i sa l g o r i m mp e m i t s r e c o v e r i n gt h ed e p t hf r o mo n e 行锄e ，i ti ss u i t a b l ef o rm e a s u r i n gm em o v i n go b l e c t s ， 3 p r o p o s ean o v e lc o m p o s i t ep a t t e r nt e c h n i q u ef o rt h r c e d i m e n s i o n a lv i d e o 7 r f a d i t i o n a ls t m c t u r e dl i 曲tm e t h o d sr e q u i r es e v e r a ld i m r e n tp a t t e m st o r e c o v e rt h ed e p mw i t h o u ta m b i g u i t yo ra l b e d os e n s i t i v i t y ，a n da r ec o r r u p t e db y o b j e c tm o v e m e md u r i n g t h e p r o j e c t i o n c a p m r ep r o c e s s c o m p o s i t ep a t t e m t e c h n i q u e sc o m b i n em u l t i p l ep a n e m sm o d u l a t e dw i t hd i f f b r e n tf r e q u e n c i e si n t oa s i n g l ec o m p o s i t ep a t t e m ，t h u sa l l o w i n gr e a l 一t i m ei m p l e m e n t a t i o n s i nt h ee x i s t i n g i i i t e c h n i q u eb a s e do nt h ec o m p o s i t ep a c t e m ，t i l es u p p o r t so fs p e c t r ao fe a c hc a r r i e r f r e q u e n c ya r ed i s t r i b u t e di nas 扛a i g h tl i n es ot h a tt h e ya r eh a r dt os e p a r a t e w e p r o p o s ean o v e lc o m p o s i t ep a t t e mt e c h n i q u e i ni t ，t h e2 一dc a r r i e r 抒e q u e n c i e sa r e u s e d ，a n dt h es u p p o n so ft 1 1 es p e c t mo ft h em o d u l a t e df r i n g e si sd i s t r i b u t e di n2 d s p a c e i ns od o i n g ，t h ea l i a sa n dl e a l ( a g ei n6 l t e r i n gt h es p e c t r ac a nb ee f ! 【b c t i v e l y a l l e v i a t e d ，b y 印p l y i n gt h i st e c l l i l i q u et o l ef r a m e so ft 1 1 ev i d e o so ft h em o v i n g o b j e c t s t h em o v m e n to f t h eo b j e c t sc a nb et r a c e d 4 、d e v e l o p et h ea p p i i c a “o ns o f h v a r ef o r t h em e a s u r e m e n to ft h em o v i n go b j e c t s i no r d e rt op e r f o r mt 1 1 em e a s u r e m e m ，m ea p p l i c a t i o ns o m v a r ei sd e v e l o p e d b y u s eo fi t ，t h e 疗i n g ep a t t e m sg e n e r a t e di nc o m p u t e ra r ea u t o m a t i c a l l yp r o j e c t e dt ot h e o b j e c t sw i t l lt h ed l p ( d i g i t a ll i 曲tp r o c e s s i n 曲p m j e c t o r ；t h ed e f o r m e d 行i n g e i m a g e sa r ec a p t u r e db yao c dc a m e r a ；a 1 1 dt h em e a s u r c m e n td a t aa r ep r o c e s s e d t h e s o f t w a r ei sd e v e l o p e db yu s i n gb o t hv ca n dm a t l a b ，i nw h i c ht h ec o mo b i e c t sb u i l t b vm a t l a bc o m b u i l d e ra r ec a l l e di nv c k e y w o r d s ：0 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 ， m o v i n go b j e c t ，a na d a p t i v es p a t i a l c a r r i e rp h a s e s h i m n ga l g o r i t h m ，c o m p o s i t e p a n e r nd i s l r i b e di np r o p o n i o n a ls p a c i n ga l g o r i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：短日期：塑堕彦q 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：越导师签名：薹睦日期：堡! 互主2 运动物体三维面彤快速检测技术研究 鹅一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 三维测量系统被分为接触式( c o n t a c tm e t h o d ) 与非接触式( n o n - c o m a c t m e t h o d ) 两大类( 图l1 ) 。接触式测量，又称为机械测量，即利用装有压力传感 器( p r e s s u r es e n s o r ) 、电磁传感器( e l e c t m m a g n e t i cs e n s o r ) 或超声波传感器 ( u l t r a l s o n i cs e n s o r ) 的探针直接接触待测物体的表面以获取其三维坐标值。与 此不同，在以光学方法为代表的非接触式系统中，传感器则无需与物面直接接触， 并因此而具有了前者无法比拟的许多优势：高精度、高效率，非接触 幽11 三维形体检测技术 f n o n ，c o n t a c t ) 、全场方式( f u l l n e l d ) 而且测量结果便于处理，在近二十年来已经 在工业及民用领域的许多方面等得到了广泛使用。应用领域的不断扩展使三维检 测技术面临许多挑战性课题，其中，动态三维物体的。| 夹速检测是现在国内外研究 的一大方向和热点。其主要应用包括： _ 在线实时检测 如汽车离合器的总成及离合器关键零件的在线检 测，板、带钢轧机宽度在线高速检测( 图1 2 ) ； 幽1 2 板、带钢轧机 宽度在线高速检测 振动检测 如滚动轴承的振动检测，刚体应力应变的检测等； 运动物体三维面形快速榆测技术研究 第一章绪论 一运动物体的检测 一切事物都是运动变化的。如人的行走、动物奔跑、汽车飞驰等等及对这些 运动的检测。 机器人 如足球机器人需要快速判断球的位置、方向和运动， 以便做出相应的动作。再如故障排除机器人( 图1 3 ) ， 每前进一步，就得先判断前面的物体位置和形状，然后 进行下一步的动作等。 阁l3 故障排除 目前，三维形体检测的几种有效的商业化产品、成 机器人 熟技术主要是针对静态物体，对测量的精度要求较高， 检测速度相对较低；快速测量的目的，就是在满足一定精度的要求下，提高测量 的速度，使检测概念过渡到动态测量。因此，为了更好的满足工业在线实时检测、 振动检测、运动检测和机器视觉等快速处理的要求及设备经济化、商业化的要求， 物体三维面形快速检测技术的研究具有重要的科学和现实意义。 上面列出了一些动态形体检测的实倒，它们的运动速度或振动频率的范围很 宽( 如滚动轴承的振动频率范围在0 到几十m h z ) ；而任何数据采集、处理过程 都需要消费时间。按照s h a n n o n 采样定理，数据采样频率必须大于物体最高运 动频率的二倍，方可不失真地重建该运动信号。“实时性”要求在采样时间间隔 内完成数据处理全部过程。所以“快速”和“实时性”仅是相对概念。对于一般 用途，可以以视频速度( d e o r a t e ) 一一即每秒2 5 帧图像一来表述快速及实 时的含义m 】。 1 2 国内外研究现状 为满足工程需要，国内外学者在快速三维测量理论和应用方面都作了较为深 入的研究，主要从硬件和软件两方面来提高测量速度，并保证精度。硬件方面， 一方面，可通过改进测量系统以提高数据采集速度；另一方面，可采用高速微处 理器等设备以提高数据处理速度。软件方面，主要研究如何从单幅图像提取三维 信息等。 2 运动物体兰维面形快速榆测技术研究 第一章绪论 1 2 1 基于硬件的技术 提高数据采集速度( 改进测量系统) 如t s u k a i l l o t o 用改进的m i c h e l s o n 干涉仪，同时输出3 帧相移干涉图，以相 移算法实时监测晶体生长过程【孙。在光栅投射技术中，可以用高速相移设备代替 响应速度较慢的机械式相移器，如采用可编程序的数字投影设备2 “，以及电信 图1 4 三维物体面形实时测量系统流程图 号驱动的声光调制器【l 】；z h a n g 等【5 应用彩色编码技术原理，用d l p 以2 4 0 h z 的 频率快速连续投射r 、g 、b 三幅条纹图像到物面( 图1 4 ) ，用一高速黑白c c d 同步采集调制后的图像，采用三步相移法快速获取物体面形。但是这种彩色编码 相移技术同步要求高，可靠性差，精度还有待改善。 系统的改进无疑在三维快速测量是必不可少的，但是也受到现在科学发展和 先进设备价格上约束和限制。 _ 提高数据处理速度( 采用高速徽处理器及用电子电路完成数据的运算) 如c o g g r a v e 和h u n t l e y 【6 】在其系统中呆用的管道处理器( p i p e l i n ep r o c e s s o r ) ， 即是一种能够高效、可靠地完成各项数据处理工作的硬件设备；李鸣明等7 1 采用 快速三维激光扫描的主从式图像采集处理系统，让p c 和d s p 并行运行，充分发 挥d s p 强大的数据处理能力，减轻了p c 的负担，显著的提高了三维扫描系统的 性能；李根乾以脉冲调制的半导体激光器为光源，通过光学系统产生一线光源， 投射到物体表面，c m o s 摄像机获取的视频信号经过硬件电路实时处理( 图1 5 ) 运动物体三维面形快速榆测技术研究 第一章绪论 来实现三维物体的面形的测量， m u n t h e r 等0 9 1 则在线性化数字锁 相环技术用硬件电路实现解调 及位相解包裹，每秒钟能同时处 理2 5 帧图像，达到了实时 ( r e a i ，t i m e ) 的目的。m e r t z 等1 0 】 推导出空间载波的周期为3 个 图15数据采集处理硬件电路示意图 像素的空间相移算法( s c p s ) 公式，并用电路实现了此算法公式，加快了测量 速度。由于此法要做成专用的芯片，限制了通用性，还要花费大量的人力物力， 且随着软件处理水平的提高，性价比不高。 1 2 2 基于软件的技术 条纹投射技术是一种基于三角测量原理的主动 式三维测量技术，在该技术中，物体的第三维信息包 含于条纹图像的相位之中，因此条纹投射方法的关键 点是提取变形条纹相应的位相信息。其主要步骤见 ( 图16 ) 。最后，根据条纹位相和物面深度之问的映 射关系求取物面深度信息。 投射条纹幽像 ， 预处理 时域或空域技术 获得包裹相位 相位解包裹 一、傅立叶变换技术 傅里叶变换技术的基本原理是：利用图像中的条纹成分与背景成分的空间频 率不同将其分离，并进一步确定条纹的位相。该技术之关键在于使两种成分的空 间频率带相互分离，以便于进行有效的滤波操作。 一幅条纹图可表示为： g ( x ，y ) = a ( x ，y ) + 6 ( x ，y ) c o s 妒( x ，) ( 1 一1 ) 其中，( x ，y ) 是图像点的空间坐标，g 为光强， “、6 、m 分别表示背景、调制度与位相。显 然，一般情况下，该图像之背景口( x ，y ) 与条 纹成分6 ( x ，y ) c o s 【十( x ，y ) 的空间变化率无 很大差别。因此，其空间频率接近，以至于 嘶， 删箭i 劁17 空间载波条纹幽得频谱 运动物体二维面形帙速榆测技术聊f 究 第一聋绪论 滤波操作无法得到有效实施。为突破该限制，瞰e d a 等，幢1 提出了空间载波技术。 而在光栅投射技术中，光栅投射图像就是天然的空间载波条纹( 图1 7 ) 。一幅沿z 方向引入了空间载波的条纹图像可表示为： g ( x ，y ) = 口( x ，y ) + 6 ( x ，y ) c o s 【妒( x ，y ) + 2 刀：x 】 ( 1 2 ) 其中，五为空间载波频率。改写式( 1 2 ) 为 g ( x ，y ) = a ( x ，j ，) + c ( z ，y ) e x p ( 2 力j x ) + c + ( x ，y ) e x p ( 一2 砺) x )( 1 - 3 ) 其中，c ( x ，) = ( 1 2 ) 6 ( x ，y ) e x p f 十( x ，y ) ，上标t 表示共轭复数。其频谱为 g ( ：，y ) = 一 g ( x ，y ) ) = 4 ( ，y ) + c ( 六一 ，_ y ) + c ( 六十兀，_ y ) ( 1 - 4 ) 其中， 是沿x 方向傅里叶变换，a ( ，y ) = 口( x ，y ) ) ， c ( 正，y ) = 以 c ( x ，j ，) 。由于载波五的存在，条纹频谱与背景频谱分离，如图 1 7 所示。可利用带通滤波器h ( 六一 ，y ) ，获取c ( 正一兀，y ) 项。将其搬移到0 频位置可得c ( 正，y ) 。其过程可描述为： c ( 六，y ) = g ( 六，y ) h ( 正一 ，y ) 】$ j ( 正+ ，)( 1 5 ) 傅里叶逆变换可得： c ( x ，y ) = 巧 c ( 工，y ) ) ( 1 - 6 ) 其位相为： 妒( x ，y ) 。a r g 【c ( x ，y ) 】 ( 1 - 7 、 傅立叶变换面形术( f o u r i e rt r a l l s f o r mp m f i l o m e t r y ) 可以从单幅条纹图像中提 取位相信息，因而非常适合于振动等动态信息的测量与处理，特别是在线实时处 理。但由于信息量较小，其精度与分辨率低于相移技术。w u 等【1 3 】用傅立叶变换 法来测量微小件的振动情况；t a y 等用此法来测量小件物体的动态响应情况； 1 、a y 等0 15 1 又用此法来三维刚体的位移；g d e i s a t 等1 6 1 用来实时测量；s u t t o n 等 发展了此方法，用h i l b e r t 变换替代傅立叶变换，用单幅条纹投射图方法来测量 物体的动态响应；林朝辉0 1 8 1 采用小波变换实现了条纹图像位相的一维求解；而 c h e n 等1 9 1 采用两色投射条纹来调制三维物体面形，用单幅条纹条纹投射图像可 以获得获得三维物体面形的数据，但需要标定调制度和均值。 二、相移技术 时域相移技术 运动物件三维面形快速榆测技术研究 第一章绪论 时域位相测量法建立在对多幅( 3 幅或3 幅以上) 相移条纹图的直接测量的基 础上，用已知相移量来计算物体相位。经典的算法有 l 三步相移算法【2 0 1 归盯1 ( 罢) 杀苦 m s ， l 、s l n 口，z ，一1 一1 2 最小二乘相移算法【2 l l 当相移步数超过3 时，根据式( 1 1 ) 可形成超定非线性方程组。该方程无精确 解，因此须求其最小二乘解。但由于非线性方程组的求解过程比较繁琐，须将其 改写为等价的线性方程组 ，( x ，y ) = ( x ，y ) + d l ( x ，y ) c o s 口。+ 抚( x ，y ) s i n 口， n 9 、 其中，3 个未知数分别为d 。( x ，y ) = ，o ( x ，y ) 、d 。( x ，y ) = 厶( x ，y m x ，y ) c o s 【瓤x ，y ) 】与 b 。( x ，y ) = 一，。( x ，) j ) y ( x ，y ) s i n 【( x ，y ) 。下标j 表示第f 幅相移图。 通过求解该方程组，可以得到待测位相： m 川一- t a n 一l 嬲i m 旧 3 同步探测法圈 4 n t l 步算法1 2 3 d = t a n 5 四步相移算法 2 4 】 盟产噌c 埘n c 等， 型半+ ) c o s ( 净 1 z 一 、7 、 r o n 2 l 1。 6 五步相移算法【2 5 2 7 】 a n 一1 惜 t a n m = 孝岩 ( 1 _ 1 2 ) ( 1 1 4 ) 一 l s 出 一 一， 丛 运动物体三维面形快速榆测技术珂究 第一市绪论 7 六步相移算法【2 8 】 a n 。1 篙鬻j m 四 康新等2 9 1 提出二步相移实现投影栅相位测量轮廓术，减少了测量步骤，但是 增加了一些额外的计算；还有误差不依赖相位的相移算法，c a r r6 3 0 1 算法与 s t o i l o v d r a g o s t i n o v 算法引1 及相移迭代算法等3 2 。9 1 ，后来g u o 和c h e n 等提出了 相移倾斜误差不敏感迭代算法h o j “，此法较非光学方法在满足高精度测量情况下 有着明显的速度优势，是一种常用的方法。由于需要大量时问来采集多幅条纹图 像，采集时间较长；且在相移时间内要求被测量物体静止，所以一般用于静态， 高精度物体测量。若要将时域相移技术用于振动物体的动态测量，则需要更高的 图像采集速度。例如，使用三步相移算法，采集速度至少要超过物体振动频率的 六倍。 空间载波相移技术 空间载波相移技术只需呆集一幅条纹图像，适合于快速、实时测量目的。 空间载波相移技术原理是在条纹图中加入高频载波，通过某种相移算法来获 取物面位相。如干涉条纹图通过在干涉图中加入一个大的倾斜来获得高频载波， 使连续像素点获得一个大的位相增量值；光栅投射条纹图是天然的空间载波条纹 图像。目前，主要的空间载波相移算法包括三点算法、标准五点算法及其修正算 法等。这部分内容将在本文第二章重点阐述。 空间载波相移技术的原理，可以用傅立叶变换技术解释，但采用空间滤波技 术。 - 时空域相移技术 时空域相移技术主要结合了时域相移技术的高精度的优点和空域相移技术 高处理速度的优点，来达到快速测量三维物体面形的目的。此方法主要应用彩色 编码技术原理，用高速投影设备快速连续投射r 、g 、b 三幅条纹图像到物面， 用一高速黑白c c d 同步采集调制后的图像，采用三步相移法快速获取物体面形 f 5 ，4 2 。5 ”。但是这种彩色编码相移技术设备昂贵，同步要求高，可靠性差。 运动物体二三维商形快速榆测技术研究 第一幸缔论 三、空域同步解调与低通滤波技术 根据冲击函数的卷积性质，式( 1 5 ) 等价于 c ( 六，y ) 2 g ( 正+ ，o ，y ) h ( 六，y ) ( 1 1 6 、 其含义为，先将条纹频谱由载波频率处搬移至零频，再以低频滤波方法分离之。 对应的空间域操作为： c ( x ，y ) = g ( x ，y ) e x p ( 一f 2 删0 x ) ( x ，y ) ( 1 一1 7 ) 其中，f _ 一1 ，a ( x ，y ) = 巧1 h ( 六，) ) 是低通滤波器的脉冲响应函数。其 操作可以借用通讯技术中的同步解调方法实现。i c h i o k a 和1 1 1 u i y a 【5 4 1 最早将 这一思想用于模拟信号探测系统中，其系统框图如图1 8 所示。式( 1 1 7 ) 中 复数乘法操作的虚部与实部分别由两路信号担任。两路信号分别乘以s i n ( 0 f 匦翌旧! t 雯r 翘一固 业。一u i c i = e 吨重 匪习j 叫! 到”5 “ 图18 空间域实时位相检测系统框刚 与c o s ( 0 r ，相当于一个同步解调的过程，它将载波频率搬移至零频。之后， 利用低通卷积滤波获得所需信号，从而可解得其位相。7 g 和h u n g 5 5 1 将其 应用于光栅投射技术。由于该方法只采用一幅条纹图，也适用于实时动态测 量目的。表1 1 对同步解调技术和空间载波相移技术二种技术做了比较。 袭1 1 两中技术的空域滤波方法比较 空域滤波方法相同点不同点关键点 同步解调技术 先执行频谱的搬移，再 本质相同，在空域等效 实施滤波操作。 选取台适的滤波器， 空间载波相移技 实现频域中的操作 先滤波，后去除载波( 相以提高信噪比 术 当于频谱搬移) 空间滤波器在空间域中取有限宽度，在频域中则宽度无限，并且表现为主瓣 两侧存在一系列旁瓣的形式。为了有效实施滤波，应选择主瓣集中且旁瓣衰减较 快的滤波器。常用滤波器有矩形窗、三角窗、h a m m i n g 窗、g a u s s i a n 窗等。为 运动物体二维血形伙速检测技术研究 第一章绪论 了提高信噪比，提高精度，就要选取合适的滤波器。q j a n 等采用g a u s s i a n 与 余弦相乘的方法设计了每周期4 个像素的滤波器，简化了空间相移处理过程； a r a t 等5 7 1 用k a l m a n 滤波器来提高空域条纹分析法的精度。 四、合成条纹图像技术( c o m p o s i t ep a t t e r nt e c h n o l o g y ) 为了综合时域相移技术和频域傅里叶变换技术两者的优点，尽量避免相位解 包裹环节，g u a n 等5 8 ，5 9 1 采用合成的结构光图像，结合时空域技术特点，避免了 相位解包裹，实现了物体三维视觉。这部分内容将在本文第三章重点阐述。 1 3 技术路线 1 3 1 光栅条纹投射系统 g 在光学三维测量技术中，普遍采用的是 基于三角测量原理的测量方法。为了提高 测量速度，多采用结构光扫描的方法。本 文为实现三维物体面形快速测量的目的， 选择条光栅纹投射技术作为测量手段，采 用数字条纹投影设备与c c d 摄像机组台 构建三维传感单元，结合计算机控制形成 三维物体面形- 怏速测量系统。 图1 9 是相交光轴条纹投射系统，摄像 图1 9 相交光轴条纹投射系统 机镜头的光轴垂直于参考面r ，投射系统的出瞳中心e 。与摄像机入瞳中心e ，的 位置与参考面的距离均为，。投射系统光轴与摄像机光轴相交于参考面r 上一 点o ，其交角为o 。条纹g 在参考面上的投影为不等间距的条纹，在经过o 点 的共轭像面i 上的投影条纹的节距为p ，参数= p c o s 0 。e p 与e c 的距离设 为d 。对于h 点、在没有放入被测物体时，呆集的图像记录的光强信息是参考 面上d 点的光强，放入被测物体时该像点所记录的光强信息是参考面上c 点的 光强。可见，所摄取到的前后两幅图像所记录的在同一点h 由于物面深度的原 因使得其光强分布分别为参考面上的d 、c 点的光强信息。如果投射到参考面 上的条纹光强分布呈正弦分布且周期恒定，光强的变化就体现在正弦函数的相位 变化中了。记两幅图像上同一点h 的相位分别是参考面上d 、c 的相位( p ，和 运动物体二三维面形快速榆测技术研究 第一幸绪论 吼，那么( p = ( p 。一中。为了求解物面上某点h 距离参考面r 的深度值h ，首 先须求出h 点与该点在参考面上对应点d 之间的投影条纹的相位差( p 。相位 差( p 与物面深度h 映射关系为： 妒羔 ( 1 _ 1 9 ) l + 6 、 当f 。 自时，式( 1 一1 8 ) 有可简化为 ( p 口向 ( 1 一1 9 ) 由此可见，在“ 自情况下，三维物体面形和物面位相差近似满足线性关系 即物面得位相差可以直观反映物面形状。 由以上过程可见，条纹投射测量三维物体面形的技术原理是：求得物面的相 位( 或相位差) 分布，根据相位与深度映射关系求解物体深度信息，进而获得空 间三维坐标数据。因此精确地从条纹图像灰度分布中解调出相位信息是测量过程 的关键环节。 1 3 2 条纹图像处理方法 本章1 2 部分给出了条纹图像强度和位相多种处理方法，通过对以上方法能 否进行动态分析、操作处理过程所需时间、精度、处理过程的复杂性等特性( 见 表1 2 ) 的进行比较，考虑到要对物体进行动态分析、中等的精度要求和设备的 经济使用性，确定合成条纹图像法( c p ) 空间载波相移法( s c p s ) 。 表1 2 不同条纹图像处理方法比较 处理 采集 位相解对噪声 动态 方法自动化获得精度图像分析 速度包裹敏感性 数能力 时域相移法能高低多幅需要敏感不能 空间载波相移能中等较高单幅需要 较敏感 能 内部较高 傅里叶变换 能中等单幅 需要不敏感能 边缘较低 合成条纹幽像法能较低中等单幅 不需要不敏感能 1 4 论文主要研究内容 如前所述，在硬件条件已确定的情况下，数据处理算法在动态物体三维面形 快速测量技术的实现至关重要。因此本文将主要研究单幅图位相恢复算法。本文 运动物体二二维面形快速检测技术聊f 究 第一章绪论 选择条纹投射技术作为测量手段，采用数字条纹投影设备与c c d 摄像机组合构 建三维传感单元；通过计算机编程生成正弦( 余弦) 条纹图像，投射到被测物面， 利用c c d 摄像机及图像采集卡获取变形条纹的数字图像；为了从单幅条纹图重 建三维信息，本文提出了自适应空问载波算法或均布式合成条纹图像算法。 本文章节安排如下： 第一章是绪论。主要说明了物体三维面速检测技术具有重要的技术和应用意 义；总结了物体三维面形快速检测技术的国内外现状，对各种测量方法进行了比 较，认为研究方向为单幅条纹图像处理。 第二章是自适应空间载波相移法研究。首先介绍了空间载波相移法测量三维 物体面形技术的原理，并指出了该类测量方法的优点所在和不足之处。然后针对 这些不足，提出了自适应空间载波相移法，该算法能实现有较大变化位相物面的 测量和自动化测量，对噪声不敏感和测量精度也较传统算法大大提高。最后通过 模拟和实验验证了该算法的有效性和实用性。 第三章是均布式空间载波相移法研究。首先介绍了正交式合成条纹图像法， 并阐述了该算法的不足之处。然后提出了均布式合成条纹图像法，减少了正交式 合成条纹技术在频域处理过程中的混叠效应等，提高了测量精度和分辨率。最后 通过模拟和实验验证了该算法的有效性和适用性。 第四章是三维面形测量系统及软件技术。介绍了上海大学应用光学与检测实 验室研制的基于条纹投射技术的光学三维测量系统，包括硬件系统和软件系统。 由于原有的三维测量应用软件主要用于静态物体的测量，重新编写了运动物体三 维测量应用软件。该测量软件采用v c 调用m a t 】a bc o m b u i j d e r 生成的c o m 控 件技术，充分利用了v c 和m a t l a b 二者的优点，优化了程序编写过程，大大缩 短了编程的时间，使研究人员能够投入更多的时间到课题研究中去。 第五章对本文工作进行了总结，展望了未来的研究方向。 运动物体二维面形快速榆测技术 i ：l f 究 第一章白适应卒问裁波相移算法研究 第二章自适应空间载波相移算法研究 空间载波相移法属于单幅条纹图位相处理方法，适用于动态信息的快速处 理。传统的算法中在实现自动化测量和有较大位相变化的物面测量时有很大的局 限性。本文提出的自适应空间载波相移法继承和发展了传统的空间载波相移算法 的优点，改善了传统算法上述缺点。 2 1 空间载波相移法 空间载波相移6 0 1 技术是在条纹图中加入高频载波，通过某种相移算法来获 取物面位相。如干涉条纹图通过在干涉图中加入一个大的倾斜来获得高频载波， 使连续像素点获得一个大的位相增量6 1 1 纹图像。空问载波相移技术适用于动态、 和对比度变化缓慢川。 条纹图像中( f ，j ) 像素光强表示为 而光栅投射条纹图是天然的空间载波条 高速测量，但其前提条件是位相、背景 砸，) = 口( f ) + 6 ( f ，) c o s 中( f ，j )( 2 1 ) 其中口( f ，) 、6 ( f ，) 和m ( f ，) 分别表示( f ，) 处的背景光强、对比度和被测位相。 由于在( t ，) 的邻域内，背景光强、对比度和位相增量变化较小，因此根据其中 一点( 2 + n ，) 近似表达式不同可分为如下两大类。其中，第一类假设连续像素点 位相增量已知，第二类将n 个连续像素点的位相变化率设为未知恒量。这里需要 说明：许多时域相移算法可直接用于空间载波相移技术。目前，主要的空间载波 相移算法包括三点算法 62 1 、标准五点算法【6 3 1 及其修正算法【“，6 5 1 等。 2 1 1 恒定相移量空间载波相移算法 该类算法假设 a ( i + n ，j ) a ( i ，j ) ， b ( i + n ，j ) b ( i ，j ) ， ( 2 _ 2 ) 中( i + n ，j ) 中( i ，j ) + n 6 其中 一， ，即该邻域包含2 + 1 个像素点。利用式( 2 2 ) ，( f + n ，) 像素光 强可近似表示为 运动物体三维面形快速榆测投术研究 第一章白适盹卒问载波相移算法研究 i ( i + n ，j ) 爿a (