（检测技术与自动化装置专业论文）结构光表面轮廓仪的研究.pdf

哈尔滨理1 ：大学丁学硕士学位论文 结构光表面轮廓仪的研究 摘要 结构光三维测量系统是利用计算机视觉原理对物体进行三维测量和重构， 以获取物体的三维模型。本文所述系统由四个激光器和四个摄像机组成，每个 激光器都与一个摄像机相对应，构成一个测量子系统。整个测量系统可看成由 四个子系统构成，并且四个子系统在空间上对称分布、位置固定。将各个子系 统得到的深度图像拼接在一起，可获得被测物体一个完整截面的深度图像，也 就完成了该截面的三维测量。若物体按一定步长沿固定方向作直线运动，而该 系统重复上述过程，则可完成整个物体表面的三维测量。 本文根据系统的结构组成和工作原理，建立了单个子系统的数学模型，在 此基础上建立了整个测量系统的数学模型。根据单个子系统数学模型对其进行 误差分析，并根据整个测量系统结构及其数学模型分析了整个系统误差。根据 系统的设计指标，提出子系统参数设计方法，并设计出了整个系统的各参数和 量程。 本文根据整个系统的工作原理和参数设计结果，加工出结构光三维测量系 统的机械装置。提出了一种简单快捷的标定c c d 摄像机的方法，并对各个子系 统和子系统间的位置关系进行了标定。实现了子图像的拼接，在此基础上通过 程序仿真对被测物表面轮廓进行三维重构。通过对实验结果的分析，提出了减 小系统测量误差的方法和措施。 关键词结构光；三维测量；误差分析；图像拼接 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 r e s e a r c ho ns u r f a c ep r o f i l em e t e r b a s e do ns i n g l e s t i p r e s t r u c t u r e d l i g h t a b s t r a c t s 缸u c t u r e d l i g h t3 - dm e a s u r i n gs y s t e ma d o p t sc o m p u t e rv i s i o nt h e o r yt o m e a s u r ea n dr e c o n s t r u c to b j e c ti no r d e rt oo b t a i nt h e3 - dm o d e lo fo b j e c t t h e s y s t e md i s c u s s e dj nt h i st h e s i si n c l u d e sf o u rl a s e r sa n df o i l l c a m e r a s a n de v e r y1 a s e r h a sac o r r e s p o n d i n gc a m e r aa n db o t ho ft h e mc o n s t r u c tas u b s y s t e m t h ew h o l e m e a s u r i n gs y s t e mi n c l u d e sf o u ri d e n t i c a ls u b s y s t e m st h a ta r es y m m e t r i c a la n df i x e d i ns p a c e i fd e p t hi m a g e so ff o u rs u b s y s t e m sa r ec o m b i n e d ，t h e nd e p t hi m a g eo fo n e w h o l es e c t i o no fo b j e c ti so b t a i n e da n d3 - dm e a s u r i n go ft h i ss e c t i o ni sc o m p l e t e d i f o b j e c ti sm o v e da l o n eb e e l i n ei nf i x e ds t e pa n dd i r e c t i o na n dt h es y s t e mr e p e a t s a b o v eo p e r a t i o n s ，t h e nt h r e e d i m e n s i o nm e a s u r i n go f w h o l eo b j e c ti sc o m p l e t e d a c c o r d i n gt ot h ec o m p o s i t i o na n do p e r a t i o nt h e o r yo ft h es y s t e m ，m a t h e m a t i c a l m o d e l so fs i n g l es u b s y s t e ma r ep r o v i d e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ew h o l e s y s t e m ，w h i c ha r eb a s e do nm a t h e m a t i c a lm o d e l so fs i n g l es u b s y s t e ma r ea l s o p r o v i d e d a c c o r d i n gt o t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs i n g l es u b s y s t e m ，t h ee r r o r a n a l y s e s o fi ta r ep r o v i d e d i n a d d i t i o n ，a c c o r d i n g t ot h ec o m p o s i t i o na n d m a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ew h o l em e a s u r e m e n ts y s t e m ，t h ee r r o ra n a l y s e so fw h o l e s y s t e ma r ea l s op r o v i d e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，t h ed e s i g nm e t h o d o ft h ep a r a m e t e r so ft h es y s t e mi sp r o v i d e da n dt h ep a r a m e t e r sa n dm e a s u r i n g a v e r a g eo f t h ew h o l es y s t e ma r ea l s oc a l c u l a t e d a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i o nt h e o r ya n dt h ed e s i g nr e s u l t so fp a r a m e t e r so ft h e w h o l es y s t e m ，t h em e c h a n i c a ld e v i c eo ft h es t r u c t u r e dl i g h t3 - dm e a s u r i n gs y s t e mi s d e s i g n e d ak i n do fs i m p l ea n dq u i c km e t h o do fc a l i b r a t i n gc c d i sp r e s e n t e d ，a n d e v e r ys u b s y s t e ma n dt h ep o s i t i o nr e l a t i o nb e t w e e ns u b s y s t e m sa r ec a l i b r a t e d ；t h e c o m b i n a t i o no fs u b i m a g e si sc o m p l e t e d ，a n dt h e3 - dr e c o n s t r u c t i o no ft h es u r f a c e p r o f i l eo fm e a s u r e do b j e c ti sa l s oc o m p l e t e db ys i m u l a t i o np r o g r a m t h r o u g ht h e a n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h em e t h o d so fr e d u c i n gm e a s u r i n ge r r o ro ft h e s y s t e ma r ep r o v i d e d 喻尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 k e y w o r d s s t r u c t u r e dl i g h t ；3 - dm e a s u r e m e n t ；e r r o ra n a l y s i s ；i m a g e j o i n t i i i 哈尔滨理工人学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 三维物体表面轮廓测量是获取物体形态特征的一种重要手段，在机器视觉、 自动加工、工业检测、产品质量控制领域具有重要意义和广阔的应用前景。 光学非接触测量因其具有高分辨率、无破坏性、数据获取速度快等优点而被认 为是最有前途的三维形貌测量方法”“。 现代大工业生产中，为获得产品的空间信息而进行的三维自动测量是人们 普遍关注的技术。随着c a d c a m 技术的研究和应用，以及现代化生产需要在 自动或半自动条件下工作，而且恶劣的环境、产品结构和测量费用等都要求三 维测量朝着自动化、在线测量、测量速度快，测量装置小型轻便化的方向发展”1 。 三维曲面或三维轮廓测量技术广泛应用于工业、科研、国防等领域。汽车 车身、飞机机身、轮船船体、汽轮机叶片等加工制造中的在线检测，特别是大 型工件的曲面检测一直是生产中的关键技术难题”“”1 。该类工件在车间条件下 一般采用靠模法测量，但可测截面少，测量精度低：在计量室条件下采用三坐 标测量机测量虽然精度较高，但数据采集速度低，测量成本高，且难于实现在 线测量”“”。鉴于接触式测量方法的局限性，用非接触光学方法来测量物体表 面轮廓形状，例如激光三角法、莫尔投影法、工业视觉测量法等具有灵敏度高、 速度快、获取数据多等特点，在三维测量中丁f 日益受到重视和广泛应用“。 1 2 三维物体形状测量方法 1 2 1 概述 随着科学技术和工业生产的迅猛发展，需要对三维物体的形状进行快速准 确的测量“。如：对智能机器人的控制，车辆引导的障碍探测，金属模型尺寸 的测量，冲板的几何校准以及应力、应变和振动的测量。而且，自动在线检测 和识别也都离不开物体的三维形状测量，例如，面板凹痕的检测。最近，随着 计算机技术的发展以及数字成像装置、光电元件、激光和其它光源的出现，用 于三维形状测量的一些技术已日臻成熟，并以其各自特点广泛应用于机器人视 觉，实物仿形，自动加工和产品质量控制等不同领域”“。 用于三维形状测量的计算机视觉方法按照其测量过程中所使用照明方式的 不同主要可以分为以下两类： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论业 1 主动式方法：是指向被测物体发射可控制的光束，然后拍摄光束在物体 表面上所形成的图像，通过几何关系计算出被测物体距离的方法“。主要可以 分为结构光法和激光自动聚焦法两类”。 2 被动式方法：是指不向被测物体发射可控制的光束，而根据直接拍摄的 物体的图像进行距离测量的方法。主要可以分为双日视觉、三目视觉、单目视 觉等方法“。 三维形状测量根据测量方式的不同又可分为接触式测量和非接触式测量两 种。 1 2 2 接触式测量法 三维接触式测量方法是由传统的探针式的接触测量方法发展而来的，目前 三坐标机是该方法发展的成功典范和主要的使用工具”“】。三坐标测量机是近 几十年来发展起来的一种多功能的测量仪器，是一种高精度、综合性很强的几 何量测量设备。它以精密机械为基础，综合应用了精密仪器设计、电子技术、 计算机技术、软件应用技术和传感技术等高技术成果，能对三维复杂工件的尺 寸、形状及其相对位置进行高精度的测量，可在保证精度的同时，这种接触式 测量方法存在着固有的缺陷：( 1 ) 尽管测量时测头与被测物之间的接触压力很 小，但依然存在着一定的接触压力，对于某些质地柔软的物品来说必然会产生 测量误差；( 2 ) 由于测头半径无论如何不可能为零，所以无法测量某些复杂表 面的细微特征；( 3 ) 因为要逐点接触式测量，从而存在测量速度慢，不适合对 大型零部件进行测量“”。 1 2 3 非接触测量法 基于视觉概念的非接触测量技术是以三维视觉传感器所得到的图形、图像 为基础来恢复物体的三维形状，这种三维图像称为深度图像。它包含被测物体 的深度信息、具有空间三维性。这种非接触三维测量技术具有效率高、自动化 程度高、造价较低等优点，在工业生产和现实生活中得以广泛的应用，例如对 汽车车身的视觉检测。尤其在航空工业领域，近几年发展起来的，用两台电子 经纬仪、一个长度标准器与计算机联接，构成的空间大尺寸三维测量系统，具 有测量范围大、精度高，对环境条件要求低等优点，成为目前国际上大尺寸工 程测量的发展方向。 用非接触法测量三维物体的方法主要是指光学方法，传统的接触测量方法 中有测量力的存在，测量时间长，不能测量软质材料等限制，而光学非接触测 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 量技术比较成功的解决了上述问题，以其高响应、高分辨率而倍受重视“”7 “2 。 随着各种高性能器件如半导体激光器( l d ) 、点和耦合器件( c c d ) 、c o m o s 图像传感器、位置敏感器件( p s d ) 等的出现，光学非接触测量技术得到快速 的发展”1 。 非接触式三维测量以其大量程、准确、非接触等优点，倍受国内外研究工 作者的关注，成为计算机视觉领域的中心任务之一。 1 3 三维深度映射技术 三维深度映射技术以直接获得深度信息为目标，成为目前视觉传感技术重 点发展方向。它包括渡越时间法、坐标测量机法、摄影测量法、激光散斑截面 图样测量法等等，这些方法各有优缺点，并以其各自特点应用于不同的场合中。 1 3 1 渡越时间法 渡越时侧法的原理是基于对激光或其他光源脉冲的渡越时间进行点位测 量。在测量过程中，物体脉冲经反射回到接受传感器，参考脉冲穿过光纤也被 传感器接受，这样会产生时间差，就可以把脉冲时间差转换成距离。”“3 ”。其主 要优点是：共轴的光源和反射波束保证不存在阴影和盲区；对被测物体的表面 性质无限制：不需要拍摄图像和作图像处理。主要缺点是：装置复杂，欲形成 距离图像，需逐点测量，因而速度慢，从原理上就无法实现实时的深度图像。 这种方法的一般分辨率可达毫米级。最近报导的与单光子相关的时间技术，在 距实验台为l 米的范围内，深度的重复性可达1 3 1 s m 。与此相似的另个技术是 光渡越全息照相术，它使用短而暂时的相干光或非常短的光脉冲来产生一个具 有“繁衍性”的光波阵面的运动图像，并利用数字重建和l i t t r o w 装置，可达到 6 5g m 的深度分辨率”“”“。 激光雷达是利用渡越时间法的一种主要形式。其中，比较实用的有两种方 法”。一种是测量激光从发射到被测面、再沿原路径返回所用的时间，这称 为脉冲光时间测量法；另一种是使用连续激光束测量发射和返回光束间的延迟 ( 相移) ，即相位测量法。因激光波长很短，所以实际装置中还需对激光束进 行调制和解调”。脉冲法的优点是作用距离远，能及时给出测量结果，缺点是 精度较低：而相位法则是用时间换取了精度。浙江大学提出一种激光雷达三维 成像系统，就是根据相位法测距原理，采用高调制度大功率带尾纤的激光二极 管作发射源，低温度系数雪崩电压的a p d 作接收器，实现高灵敏度、低噪声放 大、数模检相等一系列先进技术，该系统具有动态范围大、带宽高、距离噪声 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 小等特点；发射、接收及扫描光学系统的全新设计，保证了激光雷达的空间分 辨率极大的信噪比，并且具有部分光学自动增益补偿的功能。然而随着距离的 逐渐增大，由于返回信号的信噪比降低，均方误差随之增大，但在整个测距范 围内，测距精度优于8 厘米”“。1 。 1 3 2 坐标测量机法 坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，简写为c m m ) ，又称为三坐 标测量机”。它是以精密机械为基础，综合应用光学、电子技术、计算机技术 等先进技术的测量仪器，主要包括四个部分：坐标测量机机体、数据处理及控 制系统、测头、测量及控制软件。在测量时，将被测零件放入其容许的测量空 间内，并测得零件几何型面上各测点的三维坐标值，通过计算即可得到被测零 件的几何形状以及相关尺寸”“。 目前坐标测量机在国内外的应用已经相当普遍，世界上生产坐标测量机的 厂商超过5 0 家，品种规格已达3 0 0 种以上，全世界拥有2 万台以上，我国也拥 有4 0 0 台以上。 坐标测量机主要用于： 1 对三维复杂零件的尺寸、形状和相互位置进行高精度测量； 2 实物模型数字化，例如对于机翼的实验模型、汽车车身实验模型的测量； 3 在线质量控制。 坐标测量机的优点在于测量精度高、效率高、通用性好，是现代科学研究、 工业生产必不可少的精密测量仪器“。按照坐标测量机的测量精度可以分为计 量型和生产型两种。计量型坐标测量机一般放在有恒温条件的计量室内用于精 密测量，其测量分辨率最高可达0 1l l m ，空间任意方向的测量不确定度为 5i t m m 以下；生产型坐标测量机一般放在生产车间用于生产过程中的检测，其 测量分辨率最高可达0 1 m ，空间任意方向的测量不确定度为5 t m m 以上。 1 3 3 摄影测量法 立体视觉是设置完全相同的两个摄像机，并且除了坐标原点不同以外，两 摄像机的坐标系完全配准，根据立体视差进行测距。立体图像法依靠找到在两 幅图像中均可见到的一共同特征而工作的，只能用于测量具有特征的物体表面 的距离。上海交通大学研制的一种双目视觉成像系统，它就是以两个c c d 对带 有黑色标记点的待测面部同时成像，利用人机交互确定特征点并结合先验知识 进行图像匹配的新方法，计算面颔部组织各特征点相对于鼻根点处的三维局部 哈尔滨理工大学工学帧士学位论文 坐标值。同时通过误差纠正项的引入，可以有效地提高了系统的精度”“。 为了减小双目视觉中立体匹配的困难，可以引入三目视觉方法，目的是增 加几何约束条件，但结构上的复杂性也引入了测量误差，降低了测量效率，所 以在实际测量中应用较少。 单目视觉方法只采用一个摄像机，结构简单，摄像机的标定方便，同时避 免了双目视觉中立体匹配的困难。它可以分为聚焦法和离焦法。 1 聚焦法：就是使摄像机相对于被测点处于聚焦位置，然后根据透镜成像 公式可求得被测点相对于摄像机的距离。 2 离焦法：并不要求摄像机相对于被测点处于聚焦位置，而是根据标定出 的离焦模型计算被测点相对于摄像机距离。 摄影测量法是利用立体视觉技术来测量三维形状。尤其用于特征型三维尺 寸测量。它通常必须做一些明亮的标记，如在被测物体的表面上贴一些反射点。 一般各种模型都是在传统的针孔模型基础上扩展发展起来的，复杂的高精度的 计算还要求考虑透镜的畸变。模型建立起来后，要实现物体的三为测量，就必 须知道传感器的内部参数( 摄像机的参数) 和外部参数( 两摄像机的位置关系 及传感器坐标系与检测系统的整体坐标系的关系) 。因此，在测量前，要进行定 标，完成内部参数和结构参数的标定，一般来说是采用精密定标靶，通过摄像 机的像面坐标及三个空检坐标系的关系求得这些参数。在确定好测量模型后， 就要设计算法，一套典型的摄影测量算法包括： 1 摄像机参数和传感器模型； 2 图像预处理和特征提取； 3 特征匹配； 4 三维尺寸计算等。 其中特征匹配是立体视觉算法中最为复杂的一环，如何快速准确的完成特 征匹配一直是计算机视觉技术中画待解决的问题。影响测量精度的因素很多， 主要有c c d 摄像机与采集卡的分辨力；成像系统的畸变；目标点的定心误差： 两摄像机光轴的夹角；定标靶点的精度等等。一般来说，摄影测量法的精度较 低，且被测物体的形状比较简单，可以事先确定摄像机的部分不易变化的参数， 其他参数在摄像机安装到整个系统后进行现场标定。实验结果表明，这样可以 获得0 0 5 r a m 的空间精度。为了提高摄影测量法的测量精度，科技工作者进行了 广泛的研究。新的研究认为摄影测量法可以获得高达l ：1 0 0 0 0 0 甚至l ：1 0 0 0 0 0 0 的相对精度。 为了实现对复杂物体的三维形状测量，c a r s t e nr e i c h 提出了一种基于摄影 哈尔滨理工人学工学硕 学位论型 测量和条纹投影的技术。用条纹评价的相移法和摄影测量三角法来确定局部视 场形状，从而能够计算出与传感器坐标系统有关的三维坐标。该投影传感器包 含一个投影器和两个摄像机。用复合波长相移技术可以估算出具有不同方向的 投影条纹。用相应像点的冗余三角法，可以产生密集的物点云，同时通过对参 考目标进行摄影匹配，将从不同传感器位鼍取来的形状的相关点云转换成全局 坐标，从而解决局部视场的组合问题。 1 3 4 激光散斑截面图样测量法 该方法把光波频域和空间域之问的三维傅立叶变换关系用于测量物体的三 维轮廓。激光雷达三维成像，也就是所说的散斑图案取样，是利用探测平面光 场对应于物体三维傅立叶变换的二维限波原理，通过改变激光的波长获得物体 三维傅立叶变换的另外两个二维限波。在每个不同的激光波长上，使用c c d 阵 列可以测量斑纹图案。把每个帧综合起来，可以产生一。个三维数据阵列，对这 种三维数据阵列使用三维傅立叶变换便可获取物体的三维形状。当使用一种参 考平面时，这种技术就同两波长或多个波长的斑纹干涉相似。该方法测量范围 可以从一个微米到数米，测量精度与测量范围紧密相关。采用最新激光技术， 在1 0 r a m 的测量范围内，可以达到1 1 0a m 分辨力，测量不确定度可以达到 0 5 p _ m 。该方法的优点在于：测量范围具有高度灵活性：不需要使用相移法。 不足在于：对于相对来说面积比较大的形体进行测量时，需花更多的时间来获 取具有不同波长的图像。 1 3 5 激光扫描法 根据光源的特点和性质可以分为以下几种： 1 点式激光扫描器单束激光打在测试件表面，由摄像头摄取其反射光点。 试件表面每个点的x 、y 坐标由试件图像每一像素的位置确定，z 坐标值则根据 三角原理算出。 2 线状激光扫描器单束激光方法每次仅能处理一点，因而速度较慢，为 了加快速度可使用条带状光源，利用三角原理同时处理多个点，从而使测量速 度大大加快。 3 区域式激光扫描器这种激光扫描器可对一个方形区域进行激光发射， 可以一次性纪录整个区域内的三维坐标点。 激光三角测量利用了光学中广1 为人知的三角关系，其典型的测量范围是 5 m m 到+ 2 5 0 m m ，相对测量精度是1 ：1 0 0 0 0 ，测量频率为4 0 k h z 或者更高。 哈尔滨理工大学工学颁士学位论文 用电荷耦合器件( c c d ) 或者位置敏感器件( p s d ) 进行数字点激光图像采集。该 测量方法由于要逐点或逐线扫描，因而在速度上受到了限制。同时，扫描精度 受测试件的材料及表面特性影响”。影响测量精度主要有两个因素：一个是束 点的反射率和漫射光：出于基于敏感元件的c c d 避免了聚束点反射和散射光， 并且单各像素的分辨率高，所以采用c c d 可以得到更高的测量精度。另一个是 被测物体的表面特征与标定面的差异。一般来讲，为了确保测量精度，应该在 相似的表面进行标定。最近研究表明共焦技术不需要标定，便可对存在颜色变 化、透明度差异的不规则表面进行测量。由于激光的高亮度和方向性，也由于 新的光电扫描技术与阵列型光电探测器件的发展，加之微机的控制与数据处理， 使激光三角测量法成为多种三维数字化技术的基础。如：激光相对扫描的三维 数字化技术。为了避免由于被测表面反射率不均匀，使得像点光强变化很大， 这种技术采用了光强自适应调整方法。同时为了得到被测面形的数据，精确地 测定像点光强分布中心位置，也为了提高测量精度和速度，提出了直接映射的 方法。影响这种技术测量精度的主要因素是激光散斑，人们已经研究了多种方 法来减弱散斑的影响，例如通过增加透镜孔径或在成像透镜前加一随机振动位 相掩膜。在采用激光片光的三维传感方法中，还可以采用激光片光的面内扫描 法，可以在保持系统横向分辨率不变的情况下，明显提高系统的深度分辨率。 1 3 6 雷达测距法 1 3 6 1 激光雷达测距系统激光雷达测距系统利用光速在空气中传播速度为 常数的原理，由测距器主动向被测物体发射激光脉冲或经过调制的激光束信号 ( 调制方法包括幅度调制和频率调制两种) ，光束遇到被测物体反射回来并被探 测器所接收。距离信息的获取是通过测量激光脉冲在测距器与物体表面之间的 飞行时间，经过调制的返回信号的相位移动，反射光强度或反射率( 回波能量 与光源能量之比，是描述物体固有性质的重要参数) 等参数来获得。这种方法 具有以下优点： 1 对物体的表面性质不加限制； 2 可测得绝对距离； 3 不需要拍摄图像并作图像处理，因此被测距离的获得与灰度图像无关。 该方法的不足之处是成本较高。使用激光会造成环境公害。 1 3 6 2 超声波雷达测距系统超声波雷达测距系统的基本原理与激光雷达测 距系统相同，利用声速在空气中传播速度为常数的原理，在生物界蝙蝠就是利 用超声波测距的原理在飞行时躲避障碍物的。 哈尔滨理t 大学丁学硕士掌位论文 1 3 6 3 微波雷达测距系统微波雷达测距系统的基本原理与以上两种雷达测距 系统也是基本相同的，但是微波雷达避免了激光雷达和超声波雷达系统容易受 烟雾、灰尘、空气密度变化等外界环境条件干扰的问题，适合于在更广泛的环 境条件下使用。g s w o o d s 提出了一种复合型微波雷达测距系统，该方法首先利 用频率调制连续波方法( f m c w ) 进行绝对距离的测量，然后利用高精度的连 续波方法( c w ) 进行相对距离测量，结合以上两种方法即可进行绝对距离的高 精度测量，实验结果表明在5 0 c m 范围内测量误差小于0 1 e m 。 1 3 7 干涉法 干涉测量法是利用光的干涉原理对物体进行测量的。它的基本思想是通过 改变与被测物体形状光学位相相关的灵敏度矩阵形成干涉条纹。随着激光技术 的发展，出现了双光束干涉、多光束干涉、外差干涉、全息等多种方法。传统 的干涉测量法的特点是测量精度高，达到r l n l 级，但测量尺寸范围小，对环境 要求苛刻。近期研究表明双频外差干涉测量在1 0 0 m 范围内可以获得0 1 r a m 的 分辨力，并出现了受机械干扰很小的s h e r o g r a p h y 法和锥光偏振全息法。 全息干涉测量是把干涉测量与全息照相结合起来后，通过干涉条纹有效地 把位相变化情况记录下来，对任意形状物体及其表面作动态三维立体图像摄影， 并经图像重叠产生干涉测量，其方法有：实测法；双重暴光法。 计算机全息干涉测量是用计算机数据模型直接显示三维零件的全息图，作 为被测标准零件的波面，再与实际零件表面相干，即可检测出实际零件误差。 干涉法的优点在于它是单状态的，而且没有三角法中的遮挡问题。综合相 移分析和外差技术，再配上精密的光学装置，准确度可达到1 1 0 0 0 0 条纹。另 外，衍射光栅、数字波面重建和波长扫描的方法也正在不断的发展。 1 4 结构光三维深度映射技术 三角法测量原理是非接触测量方法中发展较为成熟，应用较为广泛的一种。 它可分为点光源法、线光源法、结构光源法。线光源法通过投射一个狭缝光到 物体表面，得到一条亮带，使得摄像机可一次得到该亮带上所有点的位置数据， 从而提高测量的速度和效率。如利用线光源，并通过检测索引表引导计算机进 行图像处理，可以实现对零件尺寸的在线测量。并可大大提高机器视觉的智能 程度和图像处理速度。 结构光法归类于主动式三角法，它包括投影编码光和正弦波技术。物体的 深度信息被编码成一幅变形的条纹图案，这幅图案是由图像获取传感器记录的。 哈尔浜理工大学工学硕_ l 学位论义 尽管与莫尔条纹技术相关，但是该方法不是采用参考光栅产生莫尔条纹，而是 从漫射物体表面记录的失真条纹直接解码得到物体的形状。当采用基于液晶显 示器( l c d ) 数字镜像器( d m d ) 和优化的形状测量系统时，可以达到1 ：2 0 0 0 0 的相对测量精度。同时具有全视场、光纹信息提取简单、实时性强及主动受控 等优点，而且在一些特殊情况下的三维坐标量测中可以大大改善测量精度，例 如，对于一些光滑、缺乏纹理、无明显灰度、形状变化的表面区域，利用结构 光可以在物体表面上形成明显的条纹，从而避免了在信息贫乏区域相关匹配中 同名点不易配准的难题。因而在工业视觉检测。”1 和机器人自主导引中得到了愈 来愈广泛的应用。但美中不足之处在于它存在遮挡问题。也许3 6 0 。多视场复合 数据配准并利用投影光栅或点离焦可能会解决这一问题。最近，华中理工大学 从结构光源方面考虑，分别研究了当物体表面对于结构光反射较弱时以及在彩 色扫描图像序列中时的解决策略，从而有效地克服传统结构光测距装置中由于 结构光源照射带来的色彩失真和物体表面复杂而造成侧面遮挡的影响。 基于结构光的三维视觉技术是非接触式三维测量技术中最常用的，依据摄 影测量理论，是既利用图像作信息载体又利用可控光源的测量技术。结构光方 法中由激光投射器和c c d 摄像机共同作为结构光图像传感器，其测量过程主要 包括两个步骤： 1 结有激光投射器根据测量需要投射可控制的光点、光条、或光面构光到 物体表面形成特征点，并由c c d 摄像机拍摄图像； 2 按物体表面投射光图案的几何形态特征解释投影模式，利用三角原理可 求得特征点与c c d 摄像机镜头主点之间的距离，即特征点的深度信息。在标定 出激光投射器和c c d 摄像机在世界坐标系中空间方向、位置参数后，即可求得 特征点在世界坐标系中的三维坐标。 结构光三维视觉根据投射系统所采用的图案不同可划分为：点结构光法、 线结构光法、多线结构光法、网格结构光法等等。 点结构光法即单点法，它是利用一点光源以一定的投射角照射到物体上， 根据投射系统、成像系统和物点构成的三角关系，得出物点的坐标值。 线结构光是单点法的延伸，根据应用还可分为光条法、光带法和光切法。 它是用单光条代替单点，从而次可测得这一光条上所有物点的坐标值，大大 地提高了测量速度。 网格结构光也称网格编码法，这种方法利用人工光源透过某一网格模板照 射到物体表面，然后采用单相机或多相机摄像，根据在物体表面上形成的投影 模板所包含的信息进行三维重建。 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 1 5 结构光三维视觉技术的现状 2 0 世纪9 0 年代以来，国外已有越来越多的研究人员开始采用结构光法实现 三维形状测量。早期，美国r i o u x 、h a g g r e n 、l o r e n z 等发表了多种结构的光点 测距仪。除用光点法，s h i r a i 和w i l l 采用了结构光条法，让激光通过圆柱透镜 产生线光源，并通过步进电机阻匀速转动光束，使光束扫过被测物体表面，从 而获取一系列图像进行信息提取并测量。最近，研究重点主要集中在光栅结构 光方面。如r i c h a r d 、p e t e r 和g u n t h e r 等人提出的一种用光栅结构光进行投影 的三维测量系统。它是将被测物处于一个远心光路系统中，至少从三个不同的 方向，用光栅结构光进行照射，引用“第二根轴”的概念，使物体绕着这根轴 旋转，产生物体的不同视场，最后将不同视图合并在一个以物体为中心的坐标 系中，从而简化了图像组合。为实现物体多面三维测量，解决各个视场的图像 配合问题，e l s a y e d 和e h e m a y e d 使用两个或多个摄像机来同时捕获投影图案， 获得物体各个视场的三维坐标，完成物体的全面重建“。 国外研究人员在这方面不但作了大量的理论研究，而且，许多研究成果已 应用于生产实际之中，法国的j m l e q u e l l e c 和f l e r a s l e 研制的一种结构光传感 器，已用于汽车舱的三维重建。美崮公司研制生产的一种彩色结构光传感器， 简称c s l ，已用于表面凹痕检测，高度测量，焊料粘贴厚度测量等等。 我国基于结构光三维视觉技术研究工作都是在大学和研究所内进行的。天 津大学首先研制了基于线结构光轮廓传感器，用于a u d i 1 0 0 型轿车白车身的检 测。目前他们的研究重点主要集中在激光测量系统( 包括c c d 摄像机与线结构 激光测头) 的参数标定。 中山市地理信息系统中心提出一种利用线结构光、单c c d 相机和双定向技 术实现物体表面三维自动测量的新方法，无需测定相机和结构光光截面之间的 相对位置，在单目序列影像上就可测量出物体表面的三维坐标。 清华大学研制一种基于线结构光的多用途传感器，特别适合于对移动物体 和腐蚀性表面的快速、在线、非接触测量，具有广阔的应用前景。 作为研究所最具权威的中科院研究的一种视觉系统，其独特之处在于它是 将物体固定在装最上，通过移动装置以变换物体的测量面。再采用多视点建模 术拟合不同扫描面的数据，以重构物体的三维几何模型。 四川联合大学提出一种将一正弦条纹投影到物体表面的三维物体识别的新 方法，由于经过物体表面高度调制的变形条纹图，其傅立叶谱的基频上包含有 物体的高度分布信息，因而通过频谱滤波、基频移中以及数字图像处理的方法 啥尔滨理工大学工学硕上学位论义 可得到物体的三维信息。 东南大学研制了一套非接触，一次性快速获取三维空间物体形状的检测方 法，它是用投影器将水平光栅投射到物体上，通过对物像进行二值化，平滑滤 波等图像处理，获取条纹( x ，y ) 坐标后再进行坐标转换，实现三维物像重建。 浙江大学提出的三维形状实时测量系统，它是用硬件电路实现结构光峰值 提取，再由软件对畸变光条峰值分布进行总体面形拟合处理，以得到物体面形 分布。 另外针对结构光的遮挡问题，重庆大学提出了一种利用双目立体视觉原理， 修复被测体表面数据缺损的双光源光切法，并在双光源的基础上，在用半反射 镜和全反射镜，使激光器发出的激光形成四个“虚光源”，从而同时可一次测量 左、右两条半轮廓，避免了测量死区，提高了测量效率。 1 6 非接触测量法要解决的问题和发展趋势 虽然各种非接触测量法经过多年的发展，取得了一些进步，但是只有近年 来出现了低成本的计算机、光电器件和激光，这些技术才在商品化方面取得突 破，另外它与我们在各个领域的需要相比还远远不够，下面指出未来要解决的 问题和发展趋势及方向。 1 实时测量在工业领域要降低产品成本并提高生产效率和质量，实时三维 测量成了测量领域画待解决的问题。实时三维形状测量主要是为了成功的进行 三维坐标显示和测量，生产控制和在线质量检测，关键是实现高速度计算以满 足在线生产的需要。 2 对没有着漆具有反射表面和网状表面的物体形状直接测量对具有反射 表面和网状表面物体进行三维形状测量，在这个领域有着紧迫的需要，但是在 这方面的研究很少。依目前的测量技术，在测量具有反射表面的模具表面形状 时，要求用粉术涂抹在表面，这样就会减慢测量速度，降低测量精度。 3 建立评价三维测量光学系统的标准该标准的重要组成部分包括：己知尺 寸、表面粗糙度和材料的标准样品元部件；数学模型和误差表示特征：测量速 度和测量范围；重复性和再现过程；定标过程；可靠性评价。 4 高精度大测量范围大多数测量系统根据测量范围折衷测量精度，然而， 工业上需要高精度大测量范围的测量系统。尽管有采用条纹投影法测量4 m 宽 范围砖墙的报道，仍然需要在这一领域进行进一步的研究。 5 测量系统的定标和优化及传感器设计系统定标和优化是提高测量精度 相对精度的关键因素。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 6 综合利用各种技术多传感器信息融合，包括综合使用不同的匹配方法和 主动式、被动式方法等，以提高系统的性能。 7 算法向并行化发展采用并行流水线机制和专用的信号处理器件，增强系 统的实用性。 8 强调场景与任务约束针对不同的应用目的，优化选择各个部分，建立有 目的和面向任务的测量系统。 1 7 课题来源及主要研究内容 本课题来源于“教育部科学技术研究重点项目” 本文的研究是在已有机器视觉研究基础上，采用光条式结构光法进行三维 非接触测量。论文主要研究工作的内容有： 1 理论研究：包括系统工作原理、数学建摸、整个系统参数设计理论； 2 误差分析：包括子系统误差分析和整个系统的误差分析； 3 对图像进行预处理：包括图像的二值化、滤波、细化和物点计算等： 4 测量装置的设计：包括装置参数和机械结构设计； 5 实验验证：包括对整个系统的标定、四个子图像的拼接和物体的三维重 构，提出了减d , n 量误差的方法和措施。 哈尔滨理_ 丁大学工学硕士学位论文 第2 章系统数学建模与设计 2 1 系统组成 基于三角法的单点和单线结构光法是用于不连续表面的唯一商业上成功的 方法。单点法每幅图像只能得到一个物点的深度，但其测量速度慢、难以完成 实时三维形状检测。单线法每幅图像可得到一个截面的深度、在测量速度上具 有较大的优势，而且其测量精度只不过略低于单点法。 综合上述考虑，我们采用了单线结构光法。如图2 1 所示，单线结构光三 维深度映射系统包括半导体激光器与光学系统，c c d 摄像机，图像采集卡，计 算机以及测量软件，其中x y z o 为物坐标系。以半导体激光器为光源，其光束 经光学系统成为在垂直方向被扩展了的扇形平面光( 本文中扇形平面光垂直于 o x 轴) 照射景物，在景物上形成一个光条纹。用c c d 摄像机倾斜观察该条纹 得到一幅条纹图像，并经图像卡送入计算机由测量软件处理，则根据三角法能 将该光条纹图像的变形转换成沿z 方向的高度变化。 嚣与 罄 摄卑机 系统 洲 昊 钐卜7 倒2 - 1 单线结构光三维深度映射系统 f i g 2 - 1s i n g l et h r e a ds t r u c t u r e dl i g h tt h r e e d i m e n s i o nd e p t hm a p p i n gs y s t e m 本文所提出的三维测量系统由四个激光器和四个摄像机组成，如图2 2 所 示，m 。、q ( f = 1 ，2 ，3 ，4 ，下文中的f 均取此值) 分别表示摄像机镜头中心和激 光器发出的扇形平面狭缝光顶点，每个激光器0 与一个摄像机m 对应，构成一 个如图2 1 所示的系统，称之为子系统。整个测量系统由四个完全相同的子系 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 统构成，该四个子系统在空间上对称分布，即四个子系统物坐标系中的o r ez 面 共面( 各个激光器发出的扇形平面光共面) ，子系统2 、3 、4 的物坐标系可分别 看成是由子系统l 的物坐标系墨e z 0 l 以0 】工，轴为转轴方向，在kz 】o j 平面内 以0 为转动中心依次逆时针旋转9 0 度、1 8 0 度、2 7 0 度而成，其中0 为0 ，z ，轴 上点，亦即为整个系统量程中心。若采用这样的系统对物体进行三维测量时， 每个子系统可测得部分截面的三维信息，经测量软件和图像拼接软件即能获取 被测物体一个完整截面的三维信息。若物体按一定步长、沿固定方向做直线运 动，而该系统重复上述过程，则可得到整个物体表面的三维信息。 f i g 2 2c o n s t r u c t i o np i c t u r eo f t h ew h o l es y s t e m 2 2 系统数学模型 2 2 1 子系统数学模型 现以任一子系统为例，工作原理如图2 - 3 所示，m 为摄像机镜头中心；激 光器发出的光经光学系统成为与x o z 面和o x 轴垂直的一扇形平面狭缝光，其 顶点为0 ；o m = b 。平面狭缝光在被测物表面上形成一光条，对位于物坐标系 x y z o 中的光条上任意一物点p ( x ，y ，z ) 而言，其像点只位于像坐标系 x 。kz 0 0 0 中的像平面蜀o o 上，且凰d o z o 与x o z 共面；光线o p 与x o z 面 的夹角为巾：光线o p 在x o z 面上投影与o x 轴的夹角为口，本文中取9 0 0 ；镜 头光轴仉乙与m o 之间的夹角为3 0 ；o o m 是摄像机镜头焦距f ；光线m p 与 x o z 面的夹角为y ，y 在k d o 乙面上的投影为0 ；m p 在x o z 面上的投影与m o 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 呈夹角；物点p 在x o z 面、k 0 0 z 。面和o z 。轴上的投影分别为p 、己和g 。 摄像机水平方向视场角为2 届，垂直方向的视场角是2 岛，摄像机像面水平方向 五上的像素序号记为门，总像素数为( 2 n + 1 ) ，摄像机像素在垂直方向y 0 上的 像素序号记为历，总像素数为( 2 m + 1 ) 。 图2 - 3 子系统工作原理 f i g 2 3o p e r a t i o np r i n c i p l eo f s u b s y s t e m 摄像机坐标系在x o z 面上的投影如图2 - 4 所示，摄像机坐标系在k 岛磊面上 的投影如图2 6 所示。 图2 - 4 摄像机坐标系在x o z 面上的投影 f i g 2 _ 4p r o j e c t i o no f c o o r d i n a t eo f c a m e r a ：沁久 朋 岛 一心 府o | r 图2 - 5 摄像机坐标系在y o o o z o 面上的投影 f i g 2 - 5p r o j e c t i o no f c o o r d i n a t