（精密仪器及机械专业论文）一种基于光纤传像束的新型微三维测量系统的研究.pdf

一种基于光纤传像束的新型微三维测量系统的研究 摘要 根据结构光测量原理，利用光纤传像束所具有的自由度大、能弯曲、易实 现长光路等特点，结合数字条纹投影技术和相位移测量技术，本论文提出了一 种新型微三维测量系统。因为从d l p 投影仪出来的光栅条纹是经光纤传像束及 其两端的远心成像系统投射到被测物体上的，所以该系统的探头可以以任意角 度对被测物体进行测量。与现有的其它系统相比，该系统降低了对被测物体方 位的要求，拓展了微三维测量系统的适用范围，从而使得远距离测量和内窥测 量成为可能。 另外，为了减小系统的随机误差并获得尽可能高的分辨率，文中还对系统 集成探头的结构参数进行了优化，并给出了优化结果和其中的变化规律；梯度 倒数加权法被用来消除图像中存在的各种噪声。 作者构建了测量系统，并对不同对象进行了测量，且重构出了被测物的三 维形貌，获得了被测物的实际尺寸，验证了系统的可行性。 关键词：立体显微术光纤传像束三维形貌结构光相移法 4 r e s e a r c ho nan o v e lm e a s u r e m e n ts y s t e mf o rm i c r o - 3 d b a s e do nf i b e ri m a g eb u n d l e s a b s t r a c t b a s e do nt h es t r u c t u r e dl i g h tm e a s u r e m e n tp r i n c i p l e ，t h i st h e s i sp r o p o s e san e w m i c r o3 dm e a s u r e m e n ts y s t e mu t i l i z i n gt h em e r i t so ff l e x i b l e ，b e n d a b l e ，a n dl o n g d i s t a n c es i g n a lt r a n s m i s s i o no ft h ef i b e ri m a g eb u n d l e t h es t r u c t u r e dl i g h ti s p r o j e c t e do u tf r o mad l pp r o j e c t o r p a s s i n gt h r o u g haf i b e ri m a g eb u n d l ea n dt h e t e l e c e n t r i c i t ym o d u l e sa ti t sb o t he n d s ，t h ei n t e g r a t e dp r o b ec o u l dm e a s u r et h eo b j e c t f r o ma n ya n g l e c o m p a r i n gw i t ho t h e re x i s t e dm i c r o - 3 dm e a s u r e m e n ts y s t e m so f f i x e dm e a s u r i n gs t a n d ，t h i ss y s t e mh a sm o r ef l e x i b i l i t yi nt h eo r i e n t a t i o nr e q u e s t ，a n d y i e l d st ow i d e ra p p l i c i t i o n s ，t h u sl o n gd i s t a n c ea n dl u m e nm e a s u r e m e n tw o u l db e p o s s i b l e i no r d e rt om i n i m i z et h er a n d o me r r o ro fo u rs y s t e ma n dp r o m o t ei t sr e s o l u t i o n , i o p t i m i z e dt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h em e a s u r e m e n tp r o b e ，o b t a i n e dt h er e s u l t s a n dl a w s a l s oas p e c i a la r i t h m e t i cw a su s e dt or e d u c et h en o i s e so f t h e i m a g e s t h ea u t h o rh a ss e tu pt h ew h o l es y s t e mw i t hw h i c hm a n yd i f f e r e n to b j e c t sh a v eb e e n m e a s u r e d r e c o n s t r u c t e dt h e i r3 dp r o f i l e sa n do b t a i n e dt h e i ra c t u a ls i z e t h e f e a s i b i l i t yo f t h es y s t e mh a sb e e nt e s t i f i e d k e yw o r d s ：s t e r e o m i c r o s c o p y , f i b e ri m a g eb u n d l e s ，3 dp r o f i l e ，s t m c t u r e dl i g h t ， p h a s es h i f t i n g 5 合肥 工业 大学 本论文经答辩委员会全体委员审杏确认符合合肥t 、1 p 大 学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位职称) 主席：易，寸水幺蔽戈辱数堰， 委员：二当 丁d r s 上f s g p 越b ，卫户c 砌仑 ， 剔吼炙珑旦 合l 把钞火各款援 专陋z 艺之亏 系a 乏 图l 一1 图1 2 图l 一3 图l 一4 图l 一5 图l 一6 图2 一l 图2 2 图2 3 图2 - - 4 图2 - - 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 - - 1 0 图2 1 1 图2 一1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 1 9 图3 1 0 图4 一l 图4 2 图4 3 插图清单 影像莫尔法原理图2 投影莫尔法原理图2 自动聚焦测量原理图4 d v d 读取头原理4 基于微透镜阵列的共焦测量原理图5 基于d m d 的共焦测量原理图5 基于单根光纤传像柬的系统原理图8 基于两根光纤传像束的系统原理图9 支线切割算法的原理1 0 结构光传感器原理图n 各光平面间的关系图i 3 结构光传感器成像关系示意图l 1 3 结构光传感器成像关系示意图2 1 4 d 和之间的关系图1 5 z 向测量误差原理图1 5 m 随结构参数卢和厂的变化规律图1 9 对不同的厂，m 随卢变化的情况1 9 对不同的卢，m 随厂的变化情况1 9 k 随结构参数卢和，的变化规律图2 1 对不同的厂，足随卢变化的情况2 1 对不同的卢，k 随，的变化情况2 2 衍射光斑光强合成曲线图2 3 普通光学系统的透视测量误差原理图2 7 物方远心光路原理图2 8 像方远心光路原理图2 8 物方像方远心光路原理图一2 9 光路2 的追击图3 l 光路2 的像差畸变曲线3 1 光路2 的点列图3 2 光路2 的光学传递函数曲线3 2 光路2 的实物图3 3 数字投影条纹生成界面3 4 相位差为9 0 的数字条纹图3 4 d l p 投影仪3 5 图4 4d m d 表面实物图3 5 图4 5 微镜支撑铰链结构图3 5 图4 6 微镜立体结构图3 5 图4 7d m d 工作机理示意图3 6 图4 8d m d 投射图像原理示意图3 6 图4 - - 9d l p 内部结构图3 7 图4 1 0d l p 投射出口处的光学系统3 7 图4 l l 单根光纤的传光原理示意图3 8 图4 1 2 光纤传像束的结构示意图3 8 图4 1 3 光纤传像束的传像原理图3 8 图4 1 4 光纤的数值孔径角3 9 图4 1 5 六角形排列方式3 9 图4 1 6 正方形排列方式3 9 图4 1 7 用分立元件搭建的测量系统4 0 图4 一1 8 对一个装饰物的测量结果4 0 图4 1 9 用直径为1 8 r a m 的传像束构建的系统4 1 图4 2 0 对“v ”型槽的测量结果1 4 1 图4 2 1 用直径为5 r n m 的传像束构建的系统4 1 图4 2 2 对“v ”型槽的测量结果2 4 l 图4 2 3 基于两根光纤传像束的系统4 2 图4 - - 2 4 对“v ”型槽的测量结果3 4 2 图4 2 5 集成探头设计方案1 4 2 图4 2 6 集成探头设计方案2 4 2 图4 2 7 单板式c c d 的照片4 3 图4 2 8 前端带有反射镜的远心光路4 3 图4 - - 2 9 探头集成后的系统图1 4 3 图4 3 0 探头2 实物图4 4 图4 3 1探头2 的装甲与固定实物图4 4 图4 3 2 探头集成后的系统图2 4 4 图5 1四邻域点的集合4 5 图5 2 八邻域点的集合4 5 图5 3 待处理图像1 4 6 图5 4 用邻域平均法对5 3 图处理的结果4 6 图5 5 方形窗口对5 3 图的中值滤波结果4 6 图5 6 圆形窗口对5 3 图的中值滤波结果4 6 图5 7 用十字形窗口对5 3 图的中值滤波结果4 7 图5 8 理想圆形低通滤波器4 8 图5 9 巴特沃思低通滤波器4 8 图5 一l o 待处理图像2 4 8 图5 一i l5 一i 0 图的低通滤波处理结果4 8 图5 1 25 一i 1 图的二值化结果4 8 图5 1 35 1 2 图的细化结果4 8 图5 一1 4 待处理图像3 4 9 图5 1 55 1 4 图的梯度倒数加权结果4 9 图5 1 65 1 5 图的二值化结果5 0 图5 1 75 一1 6 图的细化结果5 0 图5 1 8 用未进行处理的图像重构的结果5 0 图5 1 9 用处理过的图像重构的结果5 0 图6 一l 对1 9 9 9 年发行的一角硬币上“中”字的测量结果5 l 图6 2 对1 9 9 9 年发行的一角硬币上“国”字的测量结果5 2 图6 3 单周期条纹投影系统示意图5 3 图6 4 相位值与实际高度值之间转换机制的示意图5 3 图6 5 量规阶高示意图5 4 图6 6 阶高影像图5 4 图6 7 阶高三维轮廓重建图5 4 图6 8 与图像第1 9 0 行所对应的阶高截面的相位值5 5 图6 9 阶高截面线性拟合图5 5 图6 一l o 对“v ”型槽的测量结果5 7 图6 1 l 与图像第1 4 0 行所对应的“v ”形槽相位值5 7 图6 1 2 “v ”型槽的实际测量尺寸5 7 图7 一l 微型化探头设计方案6 2 图7 2 共光路系统设计方案6 2 表格清单 表3 一l 光路1 的有关参数3 0 表3 2 光路2 的有关参数3 1 表3 3 光路3 及光路4 的有关参数3 1 表6 1 不同像素位置处的阶差值5 6 表6 21 到6 次测量结果5 6 表6 36 到1 2 次测量结果5 6 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金把三些太堂 或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学何论文作者签名德编强 签字日期：加厂年钥7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍工些太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权盒胆兰些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位敝储签名李了易为 签字日期：即f 年嵋月r c p 日 学位论文作者毕业厉去向：生产性公司 工作单位：中兴通讯股份有限公司南京分公司 通讯地址：南京市雨花台区紫荆花路6 8 号 导师签名： 荔玄，芝，v 一 签字日期：玉n 眸u 月，o 日 电话：0 2 5 5 2 8 7 2 9 0 5 邮编：2 1 0 0 1 2 致谢 能跟随范光照教授做研究，是我一生中的一大幸事。这篇硕士论文从选题 到完稿自始至终都是在范老师的辛勤指导下完成的，其中凝聚了范老师大量的 心血。论文的顺利完成得益于范老师的大力支持、充分信任和严格要求。实验 室优良的科研环境和充足的经费支持为我提供了一个有力的保障；老师在生活 上的支持和帮助解除了我的后顾之忧，使我得以全身心的投入到科研中去。老 师对我的信任使我有机会将自己的一些想法马上付诸于实践。老师对我的严格 要求使我在这近三年的时间里始终保持旺盛的斗志和积极进取的心态，始终尽 心竭力的工作，从而得以抓住时间，不断把事情做好。 另外，老师渊博的知识、广阔的视野、严谨的态度、忘我的精神、高尚的 品格等都将使我终身受益。在此，我向老师表达我最真诚的敬意和谢意。 在我实验过程中，多次受到王永红副教授、刘志健老师、党学明博士的指 导和帮助，在此深表感谢! 在我读研过程中，我的好友王峰、付志文、许平、刘永志、李广军、杨海 龙、葛根湖、谭海滨( 按姓氏笔画排列) 等在经济上给予了莫大的支持，使我 度过了一个又一个难关，我为有他们这样真诚、仗义的朋友而深感荣幸，借此 机会向他们表达我最衷心的谢意! 感谢余晓芬院长、张辉副院长对我多年来的关怀和照顾! 也感谢费业泰教 授的谆谆教导! 感谢实验室陈叶金、王伟丽、刘玉圣、程方所给予的帮助，大家共同营造 的团结友善、互帮互助的气氛使我获益非浅。 感谢我的女朋友程真英在各方面给我的支持和帮助! 感谢我的家人对我的理解和支持，尽管家里很困难，但他们仍然毫无怨言 的承受着并义无反顾的支持我继续深造，是他们给了我不断克服困难的勇气和 持续追求进步的动力1 6 李瑞君 2 0 0 5 年3 月2 8 日 第一章绪论 1 1 引言 由于具有测量速度快、分辨率高、非接触、适应性强、自动化程度高、成本 低廉等突出优点，光学式三维形貌测量技术已在逆向工程、计算机辅助设计、 数控加工技术、工业快速成型、白车身测量、i c 封装测试、人体测量、影视广 告技术、虚拟实景以及建筑、桥梁、隧道、矿山等诸多领域获得了广泛的应用。 近年来，随着微电子工业的迅猛发展以及m e m s 、m o e m s 和光通信等技术的不断 兴起，出现了大量毫米量级的器件。因此，微三维测量仪器的市场需求越来越 旺盛。 但是，目前已有的3 d 测量仪器要么是针对厘米以上器件的，如台湾智泰公 司、西安交大及清华大学推出的3 d 测量仪，其测量精度一般都在几十微米以上； 要么是针对微纳米级器件的，如a t m 和s t m ，其测量精度一般能达到几个或几十 纳米。所以开发适合测量毫米量级器件且具有微纳米量级精度的仪器已成为众 多研究者的共同目标。 1 2 光学式三维形貌测量方法综述 光学式三维形貌测量方法很多，根据测量原理大致可以分为以下六类： 1 双目立体视觉法 双目立体视觉法 1 】是指用两个摄像机从两个不同的角度对同一物体拍摄两 幅图像，就像人的两只眼睛看物体一样，然后依托图像处理技术，分别找出两 幅图像中的对应特征点，再根据三点共线原理，经共线方程式的计算而完成从 图像坐标到空间坐标的转换，从而实现对三维形貌的测量。若图像某区域光强 或颜色不均匀，则匹配不可实现：测量时，两摄像机位置相隔越远，视差深度计算 越精确，但盲区现象越严重，覆盖视场越小。该法类似于人眼的体视功能，原理 直观，测量范围广，不受被测物体颜色的影响，但计算非常复杂，特征点匹配 也很困难。通常需要在待测物体上事先标出控制点，如进行彩色二维编码 2 】。 该法适宜于测量简单的且带有明显特征点的体积较大的物体，测量精度较差。 2 主动三角法 三角法的基本原理是先向被测物体表面投射光点或光条，同时在偏离投射方 向一定角度的方向用c c d 摄像头拍摄其影像。物体表面轮廓的起伏会使得光点 或光条在c c d 中的成像位置较平坦时发生一定的偏移，那么这个偏移量中就包 涵了物体的深度信息，通过求解光点出射点、投影点和成像点间的三角关系即 可确定物体上各点的高度j 。 三角法测量最初是用激光逐点扫描的方式，该法虽然简单可靠，但非常耗时， 对运动系统要求也较高。为了提高测量速度后来又先后提出了只需一维运动系 统配合的线结构光法和完全不需运动系统配合的面结构光法。 由于激光三角法具有测量速度快、运算速度快、能够自动分辨凹凸等优点， 目前它已成了应用最广的测量技术。它的缺点是在应用上有很多定位参数的要 求，以致于在测量设备的架构及校正上都很繁琐、费时，实测时若系统中某项 系数值无法正确得到，将使测量数据有较大的误差，且在测量设备有些微小变 动时，系统中每项参数皆需重新加以校正；而且在原理上存在非线性，被测物表 面质量和倾角对测量结果也有影响。 3 相位测量法 相位式三维形貌测量技术【4 】的基本原理是先将光栅条纹投影到被测物体表 面，则被测物体的表面形貌会对光栅条纹的相位和振幅进行调制，通过对调制 后的图像进行分析求解即可得出被测物体表面的高度信息。 若投影正弦光栅条纹，则物体上各点的光强大小可表示为： i ( x ，y ) = a ( x ，_ y ) + b ( x ，_ ) ，) c o s 2 r c f o x + ( x ，y ) 】 ( 1 1 ) 其中a ( x ，y ) 和b ( x ，y ) 分别反映背景光强和表面反射率的变化，厶是投影到参考 平面的光栅图样的空间频率，与物体上各点相位庐( 五y ) 对应的高度为h ( 工，y ) 。 虽然在相位一高度转换中也使用了三角法原理，但其技术的核心是相位的测量， 因此与直接三角法有较大的区别。 实现由相位到高度的转换主要有莫尔条纹法( 又叫叠纹法) 、移相法和傅立 叶轮廓术三种基本方法。 1 ) 莫尔条纹法 莫尔条纹法主要包括影像莫尔法和投影莫尔法两种。影像莫尔法【5 】是将单 一光栅( 同时为参考平面) 放置于待测物体上，并在a 夹角方向上投射准直白光 光源，于夹角口方向上架设c c d ，此时c c d 所探测到的干涉条纹由光栅本身及 其阴影叠合而成，如图l 一1 所示。该法的特点是原理简单、精度高，但由于制 造面积较大的光栅很困难，故该方法只适用于小物体的测量。 t o 、k _ ；口z p d 吼 f n _ “曲ts 州r 雌 俐瓜b 一 一 f p 、 图1 1 影像莫尔法原理图图1 - - 2 投影莫尔法原理图 投影莫尔法是用主光栅向被测物体投射条纹，然后在观察侧用第二个光栅 2 岩，i2 n zi t a n 矿( x 川：誉图 ”z ， ，y ) = 昔 毫岩 ( 卜2 ) 善和o s l 嚣ir = ll j c ( f f o ，y ) 成分，并将其移回原点做反变换得到c ( x ，y ) 。从而可得： t a n 庐( 工，y ) = r e 【c ( x ，y ) l ，h n 【c ( 工，_ y ) j ( 1 6 ) 傅氏变换法相当于在空间频域进行操作的移相莫尔法。它有几个主要的问 题。第一，计算量大；第二，使用f f t 会产生泄漏、混淆和栅栏效应引起的误 差；第三，滤出基频分量必须经过不断地试错才能得到最准确的滤波器参数； 第四，当测量斜率大的物体时需要分辨率非常高的图像设备和运算能力非常大 的计算机。 傅立叶，变换法的优势同空域相位测量技术在于只用。幅干涉图来解调相 位信息，小需要专门的移相机构。但是它对于投影条纹和探测器都提出了更严 格的要求，即相位变化相对载频变化比较缓慢，探测器的分辨率比时域技术所 需的要高，其灵敏度在整个阵列上均匀分布。 4 自动聚焦法 自动聚焦法以前主要被用来读取光盘存储的数据，但近年来也被境内外多 家研究机构用于三维形貌测量。该方法的系统一般由激光聚焦装置、高灵敏度 光电感测器件及快速响应的z 轴伺服控制系统三部分组成，基本原理是激光器 发出的激光经聚焦透镜照到被测物体上，然后用光电探测器件探测从物体表面 反射回来的光斑，以判断被测物面是否位于会聚透镜的焦面上，若不在则驱动 装置就会驱动会聚透镜上下运动，直到被测物面正好位于其焦面上为止。会聚 透镜沿着z 轴运动的距离币好与被测物体表面一点距离参考平面的高度对应， 从而实现了三维测量，如图1 3 和l 一4 所示。聚焦误差信号的检测方法有像 散法队光斑尺寸检测法【9 】、傅科刀口法、临界角法及轴向位移转换法【1 2 】 等。该法的优点是光路简单、使用方便，纵向分辨率可达1n m 。不足之处是对 被测物体的表面反射率和局部斜率较为敏感，线性范围窄。 图1 3 自动聚焦测量原理图图1 - - 4d v d 读取头原理 5 共焦法 共焦法是基于共焦显微镜原理的光学式三维形貌测量方法，由共轭成像系 统组成，如图1 5 和1 6 所示。测量时物点跟踪被测表面，并被成像在点探测 器上。当被测表面与探测面共轭时，在点探测器上的像点最小，点探测器接收到 的光能量最大：当被测表面偏离物点时，探测器上的像点变大，点探测器接收到 的光能量变小。这是由于在其焦成像中，作为空间滤波器的针孔起到了关键的 作用：当反射面偏离像面时，返回光被强烈抑制：只有反射面位于像面时，返 回光才能大量通过针孔。测量时控制物点与被测面重合，保证探测器的输出值最 大，便可描绘出被测表面的形貌。 图1 5 基于微透镜阵列的共焦测量原理图图1 6 基于d m d 的共焦测量原理图 6 飞行时间法【l 驯 这种方法是基于三维面形对单光束产生的时间调制。例如一个激光脉冲信 号从激光器发出，经物体表面漫反射后，其中的一部分漫反射光沿相反的路径 返回到接收器，检测光脉冲从发射到接收之间的时间延迟，就可以计算出距离。 用附加的扫描装置使光束扫描整个物面，就可以形成深度数据。这种方法原理 简单，测距速度快，又可避免阴影和遮挡问题，可以用于比较大范围的测量， 如移动机器人可以用它来建立环境内模型，以实现自主导航、躲避障碍等功能。 缺点是对信号处理系统时间分辨率的要求较高，为了提高测量精度，实际的飞 行时间测量系统往往采用时间调制光束，例如采用正弦调制的激光束，是通过 比较发射光束和接收光束之间相位的方法计算出距离的。 1 3 国内外微三维形貌测量技术的研究现状 目前，有关专家已提出了许多微三维测量方法及系统，有的甚至已经商 品化。 早在1 9 9 1 年，t a k u t a 1 4 等就采用自动调焦控制原理研制了一套三维形貌测 量系统，该系统在5 0 m m 高度范围内测量精度为4 p m ，标准差为2 p m ，测量 2 0 0 0 0 个点所需时间为2 0 分钟。 1 9 9 6 年吴晓峰【1 5 】基于激光自动聚焦探测原理，提出了用激光自动聚焦探头 代替坐标测量机的接触式探头的方法，并提出了变速度扫描控制算法，从而实 现了三维形貌的快速、精密、非接触连续扫描测量。应用该系统扫描测量一个 直径为6 0 m m 的标准球面，测量精度为6 l x m ，标准差为2 1 t r n ，最大测量速度 为3 0 0 0 点分，适应被测面角度变化范围为0 。6 5 。 2 0 0 1 年，范光照【1 卅等人以普通商用d v d 自动聚焦探头代替三坐标测量机的 接触式探头开发了一套超高精度的三坐标测量机，测量范围为 2 0 r a m x 2 0 m m 1 0 m m ( x “y z ) ，测量不确定度分别为l o n m 、l o n m 、3 0 n m ， 但运动及控制部分比较复杂。 1 9 9 7 年，r o b e r tw i n d e e k e r 等人【1 7 】成功的将一架双目立体观察显微镜改造 成了立体测量显微镜，分辨率达到了4 p m ，但是所投影的光栅条纹是由固定光 栅片产生的，存在刻画误差且不易调整，条纹投射与摄取光路问的夹角较小。 1 9 9 9 年，p e i s e ns h u a n g 等人【1 8 】开发的系统和2 0 0 0 年c h e n g p i n gz h a n g 等人【1 9 】 开发的系统均摒弃了固定光栅片，转而采用d m d ( d i g i t nm i c r o m i r r o rd e v i c e ) 产生彩色正弦光栅条纹的方法，配合三步相移法进行三维重建，不仅有效克服 了r o b e r tw i n d e c k e r 系统的缺点，而且使测量速度得到了大幅度提高，并解决 了测量中的断线问题。 m i n s k y 显微镜是最早的共焦显微镜，它采用逐点扫描的方式进行测量，因 此利用该装置来获取整个物体的表面轮廓需要大量的的时间。利用旋转n i p k o w 盘【2 0 】的显微镜可以进行全场测量，但仍存在视场小，光能利用率低等问题。1 9 9 4 年，t i z i m a n i 提出的微透镜阵列共焦系统解决了这一问题【2 ”。该系统采用微透 镜阵列将光束分割成许多的光束阵列，无需机械扫描便可同时测得全场数据， 大大提高了测量速度。但是对每一被测点数据的获得，需根据被测物要求的轴 向分辨率来决定采样间隔，往往需要获取几十乃至上百幅图像，因而其测量速 度仍旧比较慢。针对这样问题，2 0 0 0 年，孔兵、王昭1 2 2 】等人提出了一种采用内 推插值的数据处理方法，应用这种方法可以大大减少轴向测量次数，同时保证 有足够高的测量精度，使得该法达到了实时测量的要求。 但是，由于用微透镜阵列来产生共焦光斑存在三个不足，即：微透镜阵列 的设计、加工非常困难，成本比较高；由微透镜阵列产生的光斑密度受加工工 艺水平的制约，不利于横向分辨率的提高；微透镜的光学参数一经确定，便无 法更改，微透镜阵列的排布也无法更改，因而导致测量系统缺乏适应性。针对 这些问题，2 0 0 1 年，e b i t t e 及g d u s s l e r ”j 等人提出了用d m d 芯片通过软件编程 的方法来代替微透镜阵列产生共焦光斑。他们研制的系统的一次性水平测量范 围为3 7 5 p m ，水平分辨率为1 o n ，垂直测量范围为2 m m ，垂直分辨率为o 5 a n 。 2 0 0 2 年，合肥工业大学的王永红等人提出了一种基于差动共焦的并行检测 方法【2 4 l 。该法不仅有效的抑制了并行共焦测量中存在的c c d 暗电流噪声、环境 噪声及温漂等因素对测量结果的影响，而且充分利用差动共焦特性曲线中的线 性段，从而在采样间距相同的情况下获得了较高的轴向分辨率，有效的解决了 测量分辨率与测量速度间的矛盾。 2 0 0 1 年，t i m o t h yl p e n n i n g t o n 等人网的方法是先用一个一进两出的光纤 耦合器制成了一个杨氏双缝干涉计来产生干涉条纹，再借助于相移法计算被测 物体的高度，此法结构简单，系统体积较小，但干涉条纹的宽度、间距不易调 整。 2 0 0 1 年，t h o m a sk r e i s 等人【2 6 】提出了基于d m d 的全息干涉测量方法，但结 构复杂，精度较差。 1 4 研究目的与内容 综合前人研究成果可知，数字条纹投影技术因具有无刻画误差、条纹参数 易于实时调整、无需运动配合、测量速度快等优点而被广泛采用：相移法因重 建精度较高也被经常采用。但是，目前已有的系统大多都采用台架式结构，被 测物体必须被放置在特定的工作台上才能进行测量，因此难以对一个较大物体 上的某一局部进行测量，也难以实现远距离测量。这不仅大大限制了系统的应 用范围，同时也给测量带来了诸多不便。 为此，本研究的目的是：针对尺寸为毫米量级的器件，基于数字条纹投影 技术和相移法重建技术，充分利用光纤传像束所具有的自由度大、能弯曲、易 实现长光路等特点，开发一套具有微米量级精度的、对被测物体方位要求较低 的新型微三维测量系统。 第一章综述了微三维测量的国内外现状，并介绍了本研究的目的与意义。 第二章将介绍系统的几种基本原理及架构和两种常用重建方法的有关理 论。在对系统进行精度及其分辨率分析的基础上，建立系统的最优化模型，并 求出其最优结构参数。 第三章将首先对光学设计及评价的基本理论进行简要介绍，然后着重就系 统中用到的远心光学系统进行设计、分析。 第四章将重点介绍数字条纹图像的生成、投射、传输部分的有关软硬件技 术，介绍变形条纹图像的采集、系统探头的集成部分并展示实际架设的系统。 第五章将主要针对图像的各种噪声及光纤影像光斑的处理，介绍有关的图 像处理方法，以及用这些方法对图像处理的效果。 第六章将介绍用所构建系统对各种不同测量对象的实测结果，并对系统的 分辨率及测量精度进行评价。 第七章将对本硕士论文进行系统总结，并指出将来需要进一步探讨、完善 的地方。 第二章系统原理、方法及其结构参数的优化设计 考虑到面结构光法具有测量速度快、对被测物体表面特性的适应性强等优 点，故本系统中采用面结构光测量法。该法的关键是向被测物体表面投射结构 光图案，该图案可以是由固定光栅片产生的干涉条纹，也可以是通过d l p 投影 仪投射出的事先在电脑里编制生成的结构光条纹。被测物体的表面形貌会对所 投射的结构光进行调制，调制结果是结构光条纹会依被测物体的表面起伏而发 生扭曲，而这个扭曲变形中即包涵了物体的高度信息，调制图像可以用c c d 摄 像机从与投射光轴有一定夹角的方向去拍摄，然后用三角法或相移法即可解算 出被测物体上每一点的三个坐标值。 本章将详细介绍该系统的原理以及两种典型的三维重建方法相移法和 三角法。因为c c d 摄像机的焦距以及结构光投射光轴与摄像机光轴的夹角等结 构参数对系统的分辨率和测量精度有较大的影响，所以作者从系统的数学模型 及成像特性出发仔细分析了其中的相互关系，采用最优化方法对有关结构参数 进行了优化，并给出了优化结果。 2 i 系统原理 整个系统如图2 1 所示，由计算机、光纤传像束、d l p ( d i g i t a ll i g h t p r o c e s s i n g ) 投射器、光学系统、c c d 摄像机、图像采集卡等六部分组成。本系 统采用面结构光测量原理，首先根据不同的测量需要，通过电脑编程的方法生 成正弦光栅条纹、二元光栅条纹、点光源阵列或同心圆条纹等各种需要的面结 构光；然后由d l p 投影仪将该结构光图像投射出去。由于从d l p 投影出来的图 像范围较大，通常都在5 0 厘米见方以上：而光纤传像束的有效截面直径却通常 图2 1 基于单根光纤传橡束的系统原理图 只有几个毫米，所以要想将从d l p 投射出来的结构光图像完全耦合到光纤传像 束中去，必须在d l p 与光纤传像束间加一个适当的光学系统。该光学系统的作 用是将从d l p 投影仪出来的结构光图像完全成在光纤传像束的输入端面上。光 纤传像束会将其输入端面上的图像非常清晰的传输到其输出端面上。加在光纤 传像束输出端的物镜系统会将其输出端面上的结构光图像以一定的像距成在被 测物体上。被测物体调制后的结构光图像由c c d 摄像机拍摄并经图像采集卡采 集到电脑里。经必要的图像处理后，我们就可以用三角法、相位移法等方法从 扭曲图像中解算出被测物体的三维尺寸。加在光纤传像束输出端的物镜系统 和c c d 可以集成在一起，由于光纤传像束和c c d 后端的电缆都可任意弯曲， 因而系统即可适应被测物体的方位。若将c c d 摄像机与光纤传像束输出端的光 学系统集成在一起便成了一个可以任意移向被测物体的视觉传感器。 考虑到目前市场上的c c d 体积都相对比较大，不易做成体积较小( 直径在 2 0 m m 以下) 的探测头，作者又提出了如图2 2 所示的方案。在该方案中，c c d 摄像机前面采用与d l p 投影仪前端一样的可以任意弯曲的光学系统，从而有效 减小了最终集成的视觉传感器的体积。 图2 2 基于两根光纤传橡柬的系统原理图 2 2 重建方法 常见的三维重建方法有相移法、三角法、条纹中心线法、傅立叶变换法、 叠纹法等多种，其中相移法【2 7 1 的精度和分辨率最高，故经常被采用，三角法因 运算相对简洁亦较常用。 2 2 1 四步相移法 针对不同的相位移动，可导出各种不同的相移法公式，因考虑到四步相移 公式具有消除背景项和检测器的非线性及常数项影响等优点，所以本研究在三 维重构时采用了四步相移法，其原理如下： 用以下余弦分布函数来近似的表示条纹图像中任一点的光强： i ( x ，y ) = i o ( x ，y ) 1 + ，( 工，y ) c o s 眵( j ，y ) j j ( 2 - - 1 ) 其中，( 工，y ) 是图像中任一个像素的坐标，i ( x ，y ) 表示条纹图像的光强分布， ，。( z ，y ) 表示背景光强，y ( y ) 表示对比调制项，亦即光强的振幅，( x ，y ) 则 是每点的相位值。式( 2 - - 1 ) 中有三个未知数，。( 工，y ) 、y ，y ) 、庐( y ) ， 故至少需要已知三幅条纹图像的光强分布方程式，才可解出每一个像素点的相 位值，此即为相移法的概念【2 8 1 。四步相移法中任一点在四幅图像中的光强可分 别表示为： i t ( 五y ) = 厶( z ，y ) o + r ( ，_ y ) c 0 4 ( j ，y ) 】 l ( x ，y ) = ，0 ( 五y ) 1 + ，o ，y ) c o s 瞄o ，) + 口2 】) 1 3 ( x , y ) = ，0 ( z ，y ) 1 + y ( x ，y ) c o s ( x ，y ) + c r 】) ，( x ，y ) = i o ( x ，_ y ) - 1 + y ( x ，y ) c o s 瞄( x ，y ) + 3 9 2 1 ) 将式( 2 - - 2 ) 分别代入式( 2 - - 3 ) 便可得到每一点的主相位值。 a n 1 4 - - 1 2 一 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 用四步相移法计算得到的相位图( w r a p p e dp h a s em a p ) 是不连续的，只有 将此不连续的相位值转换为连续的相位值才能进行三维重建，此转换过程即为 相位重建技术( p h a s eu n w r a p p i n g ) 。早期的相位重建技术采取逐点计算的方法， 由于受到图像中噪声的影响，这种方法对不同的路径重建出的结果不同【”i 。 面对这一问题，在综合考虑测量速度及精度的前提下，我们采用6 0 l d s t e i n 提出的支线切割法( b r a n c hc u ta l g o r i t h m ) 3 0 - 3 h 。该法不仅能有效的避开噪声、 缺陷等相位不连续源对重建结果的影响并能快速的重建出连续相位场。图2 3 即为支线切割算法的实质，a ) 图中两点a 、b 相位差为6 石，其间有一方块形 的相位不连续源。若按b ) 图所示直线路径重建，由于经过相位不连续源而发生 误判，重建后a 、b 两点间的相位差为4 7 r ，与实际情况不符；而支线切割算法 则会对不连续源进行屏蔽，并重新搜索正确的最短重建路径，如e ) 图所示，用 支线切割路径重建的结果为6 石，与实际情况符合。 a ) 含不连续源相位图b ) 直线路径重建c ) 支线切割路径重建 图2 3 支线切割算法的原理 连续的相位图即可表示出物体的三维形貌，每一点的相位值与其高度值呈 线性关系，用一个标准块标定后即可知道某一点确切的高度值。 2 2 2 三角法 由于远心光路的各主光线均与主光轴平行，因而由它投射出的各条光栅条 纹所在的光平面亦平行。在系统参数中，除了各个光平面与摄像机光轴的夹角 有微小差异外，其它的参数均相同。在结构光传感器未知参数的标定中只需要 对其中的一个光平面进行标定，至于其它光平面与摄像机光轴间的夹角可根据 已知参数和标定出的未知参数计算得出。因此，以下不妨以其中一个光平面为 例来推导该传感器的模型。 1 0 图2 - - 4 为结构光传感器的成像模型【2 7 】，其中( x 。，y 。，z 。) 为世界坐标系， ( x 。，儿，o ) 为摄像机坐标系，( x ，y ) 为图像坐标系。摄像机坐标系的原点在世界 坐标系中的坐标为( ，。，o ，：) 。摄像机坐标系原点距光平面的距离为d ，点 p ( x 。，y 。，z 。) 为被测物体表面上任一点，为摄像机有效焦距，d 。，y 。轴平行与 d 。y 。轴。将世界坐标系下的点变换到摄像机坐标系的步骤为：首先做平移 - l ，0 ，一，：】，然后绕o 。x 。轴旋转1 8 0 。，再绕d 。y 。轴旋转卢度即可。 j 。) 图2 - - 4 结构光传感器原理图 由以上原理图即可得出世界坐标系与摄像机坐标系间的如下空间转换关系： 雠2 0 苎：! 生二鱼! ：! 垫生兰：! ! ：! ! ! 壁二生s i n f l + ，( t k ) c o s p x 。c o s f l f s i n 卢 又 y 。= y z 。f 由( 2 6 ) 、( 2 6 ) 及( 2 - 1 i ) 可得 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 一1 0 ) ( 2 一1 1 ) y 。：y 。：一善 ( 工。一i a c 。s 一( z 。一l ) i s i n 】( 2 - - 1 2 )y w2 叫c = 一专 o w 一 。5 一( 2 w l )1 再将( 2 - - 1 0 ) 式代入( 2 - - 1 2 ) 可得 胪熹端 由