（测试计量技术及仪器专业论文）光栅投射三维轮廓测量技术的研究.pdf

摘要 几何参数的测量一直是计量领域的重要研究内容。光栅投射3 - d 轮廓测量 技术是一种快速、非接触、全场测量手段，在复杂物体的几何轮廓测量中有着广 阔的应用前景。 本论文是国家教育部科学技术研究重点项目( 编号：9 9 1 4 0 ) “基于图像拼接 的视觉测量关键技术的理论与应用研究”的研究内容之一。本文着重研究了参考 面相位扩展、时域相位展开、3 一d 坐标标定和测量以及3 - d 轮廓拼接等关键问 题，论文的主要工作包括以下几个方面： 1 首先分析了典型的交叉光轴光栅投射系统中，几何结构参数对测量性能的影 响。针对传统结构中的多个几何强约束条件，提出了新的系统几何结构。新 的结构模型放宽了传统结构的强约束条件，减小了系统的搭建和调整的难度， 提高了系统对环境变化的适应能力； 2 在理想系统结构不能满足时，参考面上的相位分布也不再均匀。本文提出用 二元二次有理多项式模型来描述不同高度的参考面上展开相位分布，并用一 阶泰勒级数展开实现了最小二乘迭代求解。该方法不仅可以由部分参考面精 确恢复出全场的相位分布，而且可以减小结构参数误差、实际参考面本身面 形误差以及随机误差，间接提高系统坐标测量的精度； 3 测量中常遇到不连续物体的3 - d 面形测量，普通的空域相位展开算法不能准 确地恢复折叠相位，因而导致测量失败。针对这种问题，本文提出了基于掩 模累计的时域相位展开算法。通过相邻折叠相位差分的折叠相位之和，以及 由掩模矩阵得到的掩模累计之和两部分来获得展开相位。采用该算法不仅克 服了物体间断以及其它噪声造成的误差传播，从理论上提高了相位展开速度 和测量精度，而且能够针对具体的测量需要，由基于掩模累计的一般性理论 推导出具体的时域测量方法，这对于应用时域测量方法提供了理论支持。 4 着重分析了光栅投射轮廓测量中的3 一d 坐标隐式标定，提出采用虚拟3 一d 相 位靶实现三维空间坐标的标定：首先采用分段线性插值的方法，求得不同高 度和相应高度的基准参考平面上展开相位之间的物相对应关系；然后从平均 灰度图中恢复出特征点坐标，并由l e a s t s q u a r e 多项式映射函数求得参考面 内的横向坐标。对于被测物的3 一d 测量，首先由物相对应关系和被测物的展 开相位求出高度坐标，而横向坐标则由基准参考面相位序列、基准参考面内 横向坐标以及被测物高度值经插值运算求得。 5 ，由多个绕旋转轴旋转的非共面空间平面，通过最优化搜索获得旋转轴的方向 矢量和轴上相关点。根据该方向矢量和轴上一点计算出绕旋转轴旋转定 角度时的空间转换矩阵，多个视角的3 一d 面形轮廓就可经由这个空阳j 转换矩 阵拼接合成到统一的全局坐标系中去，从而实现3 6 0 0 轮廓拼接合成。 6 建立了三维面形轮廓测量硬件系统，开发出集条纹投射、图像采集与处理等 功能于一体的软件系统。利用此系统不仅可以测量普通的连续面形，而且可 以测量含有问断的面形，实验证明该系统可以用于自由曲面的测量。 本论文的创新之处在于： 1 提出了虚拟3 - d 相位靶的隐式标定方法。该方法只需要一个靶标、采集一个 参考面图像序列就可以实现系统的三维标定，简化了现有标定方法中至少需 要两种靶标、采集两个图像序列的繁琐过程。 2 提出了基于掩模累计的时域相位展开算法，给出了该算法的具体步骤，解决 了包含间断类物体在内的自由曲面轮廓测量的难题。 3 提出了采用二元二次有理多项式模型描述平行于零基准参考面的不同高度平 面上的相位分布。通过一阶泰勒级数展开，在最小二乘意义下迭代实现了相 位的精确扩展。 4 针对传统系统结构中的几何强约束，提出了新的几何结构，减轻了结构调整 的难度，提高了系统对环境变化的适应性。 5 由旋转的多个非共面平面，求得空问旋转轴方向矢量及轴上相关一点，连同 旋转角度确定出坐标转换矩阵，实现了多视角3 一d 轮廓数据的3 6 0 。拼接合成。 关键词：光栅投射轮廓术相移算法相位扩展时域相位展开 3 - d 坐标标定轮廓拼接 i i a b s t r a c t t h eg e o m e t r i c a lp a r a m e t e rm e a s u r e m e n th a sb e e na ni m p o r t a n tp a r to f m e t r o l o g y t h et h r e e - d i m e n s i o n a l p r o f i l o m e t r y b a s e do nt h e g r a t i n gp r o j e c t i o n i sa r a p i d ， n o n c o n t a c ta n df u l l f i e l dp r o f i l em e a s u r i n gm e t h o d a n di th a sb e e nap r o m i s i n g t e c h n i q u ei nc o m p l i c a t e dg e o m e t r i c a ls h a p em e a s u r e m e n t s t h i sd i s s e r t a t i o ni sap a r to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yk e yp r o j e c t ( n o 9 9 1 4 0 ) e n t i t l e dw i t h s t u d yo nt h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no f t h ev i s i o nm e a s u r i n gt e c h n o l o g y b a s e do ni m a g e c o n n e c t i o n s p e c i a l l ys p o n s o r e db y t h en a t i o n a l m i n i s t r yo f e d u c a t i o n ，pr c h i n a u n w r a p p e dp h a s ee x t e n s i o no nr e f e r e n c ep l a n e t e m p o r a l p h a s eu n w r a p p i n g ，3 dc o o r d i n a t e sc a l i b r a t i o na n dm e a s u r e m e n t ，a n d3 - dp r o f i l e c o n n e c t i o na r em a i n l ys t u d i e d t h em a j o rr e s e a r c ht o p i c sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns y s t e m a t i cg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r si nc r o s s e do p t i c a l a x i ss y s t e m ( c o a s ) a n d m e a s u r i n g r e s u l t si sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y a st ot h es t r o n g c o n s t r a i n t si nt h et r a d i f i o n a ls y s t e mg e o m e t r y ，an e wg e o m e t r yi sp r o p o s e d ，w h i c h r e l e a s e st h ec o n s t r a i n t ss oa st oa l l e v i a t el a b o r i o u sw o r ki ns v s t e mc o n s t r u c t i o na n d a d j u s t m e n ta n dm a k e t l l es y s t e mm o r ea d a p t i v et ot h ec h a n g i n gc o n d i t i o n s 2 i ft h ei d e a l s y s t e mg e o m e t r y c a nn o tb es a t i s f i e d ，t h e u n w r a p p e dp h a s e d i s t r i b u t i o n so nr e f e r e n c ep l a n e sw i t hd i f f e r e n th e i g h t sa r ec o m p l e xa n dn o n u n i f o r r l l i no r d e rt oe x p r e s st h ep h a s eo ne v e r yp l a n e at w o p a r a m e t e rs e c o n d - o r d e rr a t i o n a l p o l y n o m i a li sp r o p o s e d ，a n d t h e naf i r s t - o r d e rt a y l o rs e r i e se x p a n s i o ni se m p l o y e dt o o b t a i nt h ep o l y n o m i a lc o e f f i c i e n t sb a s e do nt h ei t e r a t i v el e a s t s q u a r em e t h o d b yt h i s m e t h o d p h a s e so na l lt h er e f e r e n c ep l a n e sa r er e t r i e v e dp r e c i s e l ya n d e x t e n d e dt ot h e f u l lf i e l d g e o m e t r i c a lp a r a m e t e re r r o r , r e a lr e f e r e n c ep l a n ep r o f i l ee r r o ra n dr a n d o m e r r o ra r ed e c r e a s e da n dc o o r d i n a t e m e a s u r i n gp r e c i s i o n i sa l s oi n c r e a s e d 3 f o rd i s c o n t i n u o u sm e a s u r e do b j e c t s t h es p a t i a lp h a s eu n w r a p p i n gm e t h o dc a n n o tg e tt h eu n w r a p p e dp h a s ec o r r e c t l y an o v e lt e m p o r a lp h a s eu n w r a p p i n gm e t h o d b a s e do n2 n j u m pm a s k i sp r o p o s e dt os o l v et h i sp r o b l e m f i r s t l y , t h ed i f f e r e n c e so f a d j a c e n tw r a p p e dp h a s e s a r e o b t a i n e d s e c o n d l y , a 1 1 t h e w r a p p e dp h a s e so ft h e d i 虢r e n c e sa r e a d d e d t h i r d l y , t h e s u n l l r l a t i o no f m a s k a c c u m u l a t i n gp h a s e i s c a l c u l a t e da n da d d e dt oa 1 1t h ew r a p p e dp h a s eo ft h ed i l y e r e n c e s a n dt h e n ，t h e t e m p o r a lu n w r a p p e dp h a s ei sr e s t o r e d w i t ht h et e m p o r a lp h a s eu n w r a p p i n gm e t h o d ， d i s c o n t i n u o u ss h a p ec a nb er e c o n s t r u c t e dc o r r e c t l ya n dp h a s ee r r o rp r o p a g a t i o ni s e x c l u d e d t h es p e e da n d p r e c i s i o no f t h ea l g o r i t h ma r ei m p r o v e dt h e o r e t i c a l l ya sw e l l m o r e o v e r ，b ya p p l y i n gt h ep r o p o s e dg e n e r i cu n w r a p p i n gm e t h o d ，s p e c i f i cm e a s u r i n g m e t h o d si no r d e rt oc a r r yo u ts o m em e a s u r e m e n t sc a nb ed e d u c e d 4 t h e i m p l i c i t c o o r d i n a t ec a l i b r a t i o ni n g r a t i n gp r o j e c t i o np r o f i l o m e t r y i s a n a l y z e d i nd e t a i l a n dav i r t u a l3 - d p h a s ec a l i b r a t i n g d r o n ei s o r i g i n a l l y d e m o n s t r a t e da n du s e di nt h e3 一dc o o r d i n a t ec a l i b r a t i o n f i r s t l y t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nv a r i o u sh e i g h t sa n du n w r a p p e dp h a s e s ，n a m e l yp h a s e - t o h e i g h tr e l a t i o n s h i p ， i se s t i m a t e db a s e do nt h ep i e c e w i s e1 i n e a ri n t e r p o l a t i o n s e c o n d l y , a 1 1t h ef e a t u r e d c i r c l e sa r ef i t t e di nt h em e a ng r a y s c a l ei m a g e sa n dt h el a t e r a lc o o r d i n a t e si nt h e 1 1 1 r e f e r e n c ep l a n ea r ee s t i m a t e db yl e a s t - s q u a r e p o l y n o m i a lm a p p i n gf u n c t i o n s w i t h r e s p e c t t ot h e m e a s u r e m e n t ，b yu s i n gt h er e l a t i o n s h i p a n du n w r a p p e dp h a s eo f m e a s u r e do b j e c t ，t h eh e i g h to fm e a s u r e do b j e c ti sf i r s tc a l c u l a t e d 、a n dt h e n ，l a t e r a l c o o r d i n a t e so ft h eo b j e c ta r ed e d u c e df r o mas e r i e so fi a t e r a ic o o r d i n a t e si nr e f e r e n c e p l a n e sa n d 血eh e i g h to fm e a s u r e do b j e c t 5 f r o ms e v e r a lp l a n e sr o t a t i n ga r o u n dt h er e v o l u t i o na x i s t h eo p t i m a ld i r e c t i o n v e c t o ra n do n ep o i n to nt h ea x i si sa c h i e v e d a c c o r d i n gt ot h i sv e c t o ra n dp o i n t ，t h e t r a n s f o r mm a t r i xa b o u tr o t a t i n gac e r t a i na n g l ea r o u n dt h er e v o l u t i o na x i si se a s i l y d e d u c e d a n da l lt h ep r o f i l e sw i t hd i f f e r e n tv i e wa n g l e sa r ec o n v e r t e di n t ot h eg l o b a l c o o r d i n a t es y s t e mw i t hd i f f e r e n tt r a n s f o r mm a t r i c e ss oa st oa c c o m p l i s h3 6 0 d e g r e e p r o f i l ec o n n e c t i o n t h ec r e a t i v ec o n t r i b u t i o n sm a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 av i r t u a l3 - d p h a s ec a l i b r a t i n gd r o n e i sp r o p o s e da n du s e ds k i l l f u l l y c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a l3 - dc o o r d i n a t ec a l i b r a t i o n ，t h i sc a l i b r a t i n gm e t h o dc a nb eu s e dt o c a l i b r a t et h es y s t e mc o o r d i n a t e sm o r ee f f i c i e n t l yb yu s i n go r i g i n a l l yd e s i g n e dv i r t u a l 3 一d p h a s ec a l i b r a t i n gd r o n e ，t h ep r o p o s e d c a l i b r a t i o np r o c e d u r eo n l yn e e d st h e v i r t u a l3 - dp h a s ec a l i b r a t i n gd r o n ea n do n es e r i e so fi m a g e s ，w h e r e a sa t l e a s tt w o k i n d so fc a l i b r a t i n gd r o n e sa n dt w os e r i e so fi m a g e sa r ed e m a n d e di nt h et r a d i t i o n a l c a l i b r a t i o n 2 an o v e lt e m p o r a lp h a s eu n w r a p p i n gm e t h o db a s e do n2 nj u m pm a s k i s p r o p o s e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l t h i sm e t h o dc a nc o r r e c t l yr e s t o r ef r e e - f o r mo b j e c t s h a p e ，i n c l u d i n gd i s c o n t i n u o u so b j e c ts h a p e 3 at w o p a r a m e t e rs e c o n d o r d e rr a t i o n a lp o l y n o m i a li sp r o p o u n d e dt oe x p r e s st h e p h a s e o nt h e s p e c i f i cp l a n ep a r a l l e l t ot h ez e r o p l a n e t og e t t h e p o l y n o m i a l t o e f f i c i e n t s af i r s t o r d e rt a y l o rs e r i e se x p a n s i o nb a s e do nt h ei t e r a t i v el e a s t - s q u a r e m e t h o di su s e d b yt h i sm e t h o d ，p h a s e so nr e f e r e n c ep l a n e sa r ep r e c i s e l yr e t r i e v e di n t h ef u uf i e l d 4 a st ot h ec o n s t r a i n t si nt h et r a d i t i o n a lg e o m e t r y , a ni m p r o v e dg e o m e t r i c a l c o n f i g u r a t i o ni sp r o p o s e d i tr e l i e v e st h ec o n s t r a i n t sa n d m a k e st h em e a s u r i n gs y s t e m m o r e a d a p t i v et ot h ec h a n g i n g e n v i r o n m e n t 5 s e v e r a lr o t a t i n gn o n c o p l a n a rp l a n e sa r eu s e dt os e a r c hf o rt h eo p t i m a ld i r e c t i o n v e c t o ro ft h er e v o l u t i o na x i sa n do n es p e c i f i cp o i n t i nc o n n e c t i o nw i t ht h er o t a r y a n g l e s ，t r a n s f o r mm a t r i c e sw i t hd i f f e r e n tv i e wa n g l e s a r ec a l c u l a t e d ，a n db yt h e s e m a t r i c e sa 1 1p r o f i l e sa r ec o n n e c t e dt of o r m3 6 0 一d e g r e ep r o f i l e k e y w o r d s ：g r a t i n gp r o j e c t i o n ，p r o f i l o m e t r y ，p h a s es h i f t i n ga l g o r i t h m ， p h a s ee x t e n s i o n ，t e m p o r a lp h a s e u n w r a p p i n g ， 3 dc o o r d i n a t ec a l i b r a t i o n ，p r o f i l ec o n n e c t i o n v 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼盘茎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了谢意。 学位论文作者签名冲小囊签字日期卵弓年二月舢 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：茹卜复 l 导师签名： 7、 物协春 j 签字目期：如奶年月矿日签字日期；dj 年乒月d 曰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 几何参数的测量一直是计量领域的重要研究部分。作为基础的长度测量，随 着新的测量理论的提出和新测量技术的应用，从一维、二维( 2 - d ) 、三维( 3 - d ) 以至高维空间，都成为人们关注和研究的内容。 光学式三维测量是二十世纪光学技术飞速发展的诸多产物中的重要一员。它 是光学( o p t i c s ) 、微电子学( m i c r o e l e c t r o n i c s ) 、信息学( i n f o r m a t i c s ) 以及应用 数学( a p p l i e dm a t h e m a t i c s ) 等学科交叉发展和融合的结果，包含了诸多学科的 精华内容。特别是近代光学理论、微电子技术和信息技术的飞速发展( 如激光技 术、干涉理论、全息技术、高性能微处理器、大容量存储设备、精密图像传感器 件、功能强大的应用软件等等) ，使光学式三维测量技术有了强劲发展的理论基 础和物质基础。这些学科的交汇不仅为光学测量领域的理论与技术创新提供了可 能，还为其应用提供了无穷的想象空间。 市场的刺激作用也为光学式三维测量技术的发展注入了新的动力。现代社 会，人们对商品需求的多样化越来越明显，工商业产品的开发周期越来越短，而 开发过程又离不开测量技术的保障，这必然促使测量技术向快速、高效的方向发 展。传统接触式测量受到测量速度、范围、测量参数的多少以及被测物体的特性 等因素的多方制约，限制了其在工业生产中的更广泛的应用，而光学式测量技术 以其非接触、自扫描、高精度、快速获取被测物信息等天赋和潜力，正好满足了 国民经济各领域的需要。 光学式三维测量正站在信息光学研究的前沿【l 】，对其中的关键技术进行研 究，必将极大丰富该领域的内容，促进相关科学技术的发展。 1 2 三维测量技术综述 1 2 1 三维测量技术乜印 三维测量技术总体上可分为接触式与非接触两大类，测量机理包括有光、机、 电、磁、声等。如图1 一l 介绍了主要的三维测量方法。 三坐标测量机1 4 ，作为接触式三维测量的代表，是近三十年发展起来的一种 高效率的新型精密仪器，广泛应用于机械、电子、汽车和航空航天等工业。传统 的三坐标测量机多采用机械探针等触发式测头，通过编程规划扫描路径进行点位 天津大学博士学位论文 置测量。测量精度高是三坐标测量机的优点，但它的造价昂贵，结构庞大，对环 境要求高，测量速度较慢。 图1 一l 三维坐标测量方法 f i g 1 - 13 - d c o o r d i n a t em e a s u r i n gm e t h o d s 光学式测量方法在三维测量领域占据重要的地位。光学式测量方法( 以光学 三角法为代表) 测量时，传感器无需与物体直接接触，可以避免探针对物体( 如 贵重文物) 表面的损伤，减少探针对表面施加的测量力引起的物面变形，这在测 量非刚性物体时非常重要；传感器可以远离待测物，测量速度快，因而更适合在 线实时检测以及危险区域中的参数测量；另外，利用光波波长的稳定性以及干涉 等方法，可以实现波长级以及更高精度的测量。而对于三坐标测量机，由于测头 半径的影响，难以胜任细微面形的精细测量。 1 2 2 光学式三维测量方法 光学式测量方法的分类多种多样，依照是否向被测物投射能量，可以分为主 动测量和被动测量；依照测量过程中光源扫描方法的不同又可分为：点扫描、线 扫描和全场扫描；从被测物的运动状态考虑，则可分为动态测量和静态测量；依 照获得测量结果的信息来源，又可分为纹理恢复、颜色恢复、光度恢复等等。具 体的光学式测量方法主要包括： 一、飞行时间法t o f ( t i m eo f f i i 2 h t ) i s l 该方法利用光速或声速在空气( 或某一媒介) 中的传播速度是定值的原理实 现测距：测量系统发射光波( 或声波) 至被测物表面，并探测经由物体表面反射 回来的光波( 或声波) ，通过计算光波( 或声波) 的飞行时间，可以间接计算出 被测物体与测量系统之间的距离，经过扫描被测物的各个部分即可得到三维形貌 信息。利用光波测距的装置称激光测距仪【6 j ，利用超声波测距的装置称超声波测 距仪。测距的工作制式可分为以下三种：脉冲制式、调幅连续波制式、调频连续 波制式。可以通过提高测距系统的工作频率来提高计时精度，从而提高测量精度； 也可采用调制与解调技术，从信号的相位信息得到精确时间，进而求得高精度的 第一章绪论 距离值【”。 二、干涉测量( i n t e r f e r o m e t r y ) i s l 干涉测量是常用的高精度、高分辨力测量方法之一。当物波波前和参考波前 符合干涉条件时，物波波前和参考波前发生干涉产生干涉条纹，从干涉条纹的变 形情况可以判读出被测物的几何形状。传统的干涉条纹处理的方法1 9 1 多直接采用 图像处理技术求出条纹中心，然后检测条纹中心相对参考基准的偏移量。由于计 算条纹中心位置时的误差较大，所以这种方法分辨力较差( 约为1 1 0 条纹) 。干 涉测量技术同相移技术和外差技术相结合，可以使分辨力提高到1 1 0 0 1 1 0 0 0 条纹。全息干涉测量 1 0 l 是利用全息技术产生干涉条纹，并由干涉条纹完成物体表 面深度测量。干涉测量对测量环境的要求较高，系统测量稳定性易受到光学散斑、 震动、湿度、气压以及温度等因素影响。若采用共光路设计( c o m m o n p a t h ) 和 同时相移技术，可以有效地抑制震动对测量结果的影响【l ”。电子散斑干涉( e s p i ) 和数字散斑干涉( d s p i ) 1 2 l 技术是以干涉方法实现信息记录和表征的光学表面 检测方法。通过多幅散斑图像的相关性，可以实现高度的测量【b 】。m e n e i l l 【1 4 】的 实验表明：当摄像机距离被测物1 0 0 0 m m ，测量的最大距离误差为0 0 5 m m 。 三、结构光法( s t r u c t u r e dl i g h t ) 由结构化光源如光点”1 、光条【16 】或光栅投射器等，向被测物表面投射能量， 由图像传感器记录光斑的位置，通过系统几何关系确定物点与像点之间的对应关 系，从而得到像面光斑位置对应的物体上点的三维坐标。当投射光点进行测量时， 需要逐点扫描物体表面，测量时间长；光条扫描相对光点扫描，扫描速度较快， 但仍需要进行一维扫描；相对光点和光条扫描，采用投射光栅的方法可以快速实 现全场测量。为了提高光栅投射测量的可靠性，需要对光栅进行编码，编码方法 包括栅格、法【1 、彩色编码 1 8 - 2 0 1 、二进制编码【2 ”、灰度编码2 2 1 、宽度编码【2 3 1 、相 位编码以及混合编码【2 4 等等。 其中的相位编码可以扩展成为基于相位测量的光栅投射技术，如莫尔轮廓术 2 5 1 、傅立叶变换轮廓术【2 6 和相移轮廓术2 7 1 等。这些方法将在1 3 节中详细讨论。 相对编码结构光，通过线性可调波长滤波器( l v w f ) 投射彩虹瞰】的方法， 可以避免编码信号的解调，能够更快速的确定出3 一d 信息。 四、立体视觉( s t e r e ov i s i o n ) 立体视觉是利用视差原理获取景物的三维信息，其过程是在不同角度采集三 维景物的一对图像，利用它们之间的视差来恢复出景物的深度信息。视差测量是 在分析对应点或对应特征基础上进行的，不同的视差指示出不同的相对深度。典 型的立体视觉过程包括五个主要部分 2 9 1 ：建立成像模型；提取特征：特征 匹配；视差和深度计算；深度信息内插。由于视觉处理技术将成为未来测量 天津大学博士学位论文 技术的主流，双目、多目以及多帧图像序列f 3 川等立体视觉已经成为国际学术研究 的热点和重点。 五、离焦深度测量( d e p t hf r o md e f o e u s ) 3 1 - 3 3 1 离焦深度测量是利用几何光学的聚焦原理，根据聚焦函数进行距离测量。由 几何光学的聚焦原理可知：当成像系统正确聚焦时，像面上光点具有最高的锐度； 离焦时锐度减小。因此通过建立像点的锐度评判准则，从而可用锐度这一测度来 求解目标的深度信息。这种方法的优点是不需要预先进行图像分割就可估计距 离，其局限性在于对灰度平坦的区域测距精度低。k r o t k o v 3 i j 报导物距在l 米至 2 米范围内时，精度达到物距的1 0 。 六、其它 根据纹理( t e x t u r e ) 梯度瞰 1 3 s 、阴影( s h a d i n g ) 3 6 1 1 3 7 1 、全景视图( p a n o r a m i c v i e w s ) 【3 8 】、光度立体( p h o t o m e t r i cs t e r e o ) 3 9 1 以及光流( o p t i c a lf l o w ) 4 0 1 等其它 信息恢复三维信息，统称为s h a p e f r o mx 技术。总体上来说，这些技术对被测物 表面以及光照等先验知识要求较多，处理条件严格受限，而且精度相对较低。 以上分析说明，光学式三维测量技术可以根据具体测量要求，选择合适的测 量方法，达到不同的测量分辨力。图l 一2 是各种光学式测量方法的分辨力： ( m m ) ( m n ) ( 姗) 图1 2 光学式测量方法的尺寸分辨力 f i g 1 - 2r e s o l u t i o n so f o p t i c a lm e a s u r i n g m e t h o d s 第一章绪论 1 3 光栅投射3 - d 轮廓测量技术及其应用 光栅投射3 一d 轮廓测量就是将光栅像投射到被测物表面，光电传感器接收由 于物体表面高度起伏产生的变形光栅像，根据光栅变形量与高度的关系，恢复出 被测物面形的高度。本文主要分析用于散射物体的宏观面形测量，测量的基本原 理是光学三角法。至于强反射物体表面，可采用干涉法测量，也可根据被测物表 面反射规则的光栅条纹后，生成的变形光栅像实现测量。而规则的光栅条纹可通 过电视屏幕生成【4 ”，也可是特制的靶标1 4 2 l 。 1 3 1 光栅投射3 一d 轮廓测量技术 光栅投射3 一d 轮廓测量技术可分为两大类：基于光学三角法的轮廓术和基于 相位( p h a s e ) 的轮廓术。光学三角法是多数光学式轮廓测量技术的基础理论，下 面首先分析基于光学三角法的轮廓测量原理。 1 3 1 1 光学三角法1 基于光学三角法的光栅投射3 一d 轮廓测量可以用“像点位移”c 4 4 1 的概念来阐 述：如图1 3 所示，在坐标系o x y z 中，空间一点p 射出的光线p 8 与参考平 面x o y 交于口点，并成像于探测器平面x o y 上的点；当放入被测物时，光线 船交物面于日点，日的像点为a 。从探测器像面上看，由于被测物体的存在， 像点由移动到，对应于参考面上的距离为a b 。因为a b 与日点的高度符合 确定的三角关系，故可通过测量像点位移得到物体的高度信息。 z j p 卉禹 膨 。7 d x 图2 - - 9 平行投射时的三角关系 圈2 1 0 会聚成像模型 f i g 2 9t r i a n g u l a t i o ng e o m e t r y w i t h p a r a l l e lp r o j a c t i o n f i g 2 - 1 0m o d e lo f c o n v e r g i n gi m a g i n g 因为在虚拟相位轴x 上f 点的相位服从线性分布，所以要确定点的相位， 关键是确定出与f 点的转换关系。因为直线廓b 与投射光轴廓0 平行，由三 天津大学博士学位论文 角关系可知 加= 屯，= 2 n 1 c o s - o o b 一2 n c p o s o ( 、x + h t g o ) h t g v ( 2 3 0 一) 锄= 九，= i 一一 。、x + 0 z 一) 会聚成像模型如图2 一1 0 所示。设c c d 摄像机焦距为厂，入瞳离零参考面 的距离为c 。连接日点和c c d 入瞳e c ，交c c d 像平面于h 的像点( h ，知) 。 当不考虑摄像机畸变时，由光学三角关系可得下式 亏。瓦写 2 3 1 ) 将 2 3 1 ) 式代入公式( 2 3 0 ) 得： 驴如= 2 n c p o s 0 ( 、妊咖半h 竽啦叫 ( 2 _ 3 2 ) 式( 2 - - 3 2 ) 说明，对于高度为h 的平面内任意一点日，它的像点日( z 。) 的相位服从线性分布。 对于h = 0 的零参考面，它在像面上的展开相位分布弭为 仔2 n c o p s x n , 等( 2 - - 3 3 ) 由式( 2 - - 3 2 ) 和( 2 - - 3 3 ) 可知，被测物和参考面展开相位之差与被测物面 的高度之间的关系为 驴咖= 等p 一半) ( 2 - - 3 4 ) 式( 2 3 4 ) 说明： ( 一) 对于等高的平面= = h ，在像面上的相位差与x 。，成线性关系，由式( 2 - 3 1 ) 可知，在平面z = h 上的相位差也与h 成线性关系： ( 二) 若相位差相同，则可由公式( 2 3 4 ) 和( 2 - - 3 1 ) 得到h 与石。的关 系( 如图2 - - 8 所示，虚线表示相位差均为2 厅时h 与h 的关系曲线) 。 一发散投射、会聚接收 图2 一i 1 是投射系统发散投射光栅条纹、成像系统会聚成像时的几何模型。 发散投射时，虚拟相位轴z 上的相位均匀分布，但在零参考面上的相位分布并 不均匀。将几何模型一分为二( 图2 1 2 和2 1 3 ) 分别研究，能够求得平行于 零参考面、不同高度的被测平面内的相位分布。 如图2 1 2 ，首先分析平行于零参考面的平面= = h 上的相位分布。设 耳( 一l p t g o ，印) 为投射装置的出瞳中心，o 为投射装置的光轴和z 轴的夹角，光 线廓b 是从耳投射的一条光线，它交被测平面于h ( x n ，j b ) ，交零参考面于 b ( x 。，0 ) ，交虚拟相位轴r 于b 点，显然点鼠口和的相位相等九= 九，= “。 第二章光栅投射3 - d 轮廓测量系统 因为在虚拟相位轴a 上f 点的相位服从线性分布，所以要确定日点的相位， 就要确定出与b 点的转换关系。由直线4 b 与虚拟相位轴a 相交于点，可 由下面的方程组求得点在x o z 坐标系下的坐标， 旺寿 0 一x h ) e 。 z l e r 照 jl ，： 工c ，一署 rl f 3 j 蝰蛉i 5 f i g 2 - 11m o d e l w i t hd i v e r g e n tp r o j e c t i o na n dc o n v e r g i n gi m a g i n g ( 2 3 5 ) 图2 一1 2 发散投射模型 f i g 2 - 1 2m o d e l w i t hd i v e r g e n t p r o e c t 将坐标转换到虚拟相位轴x 上，即石】得r 式 驴九= 半面雨l p ( 蕊x n + 丽h t 9 8 ) ( 2 - - 3 6 ) 上式说明：在平行于零参考面的被测平面z = h 内，相位分布是按照一元一 次有理多项式分布的。 当h = 0 时，即在零参考面内，展开相位分布冉是按