（模式识别与智能系统专业论文）三维测量系统的快速测量问题研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 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， 也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名：日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：导师签名：日期： 摘要 摘要 论文题目：三维测量系统的快速测量问题研究 硕士研究生姓名：王新 导师姓名：达飞鹏 学校名称：东南大学 人们将生活的世界视为一个三维空间，在三维空间中对现实中的事物进行理解和衡量。然而， 在生产和生活中，对于物体的形状，一般仪器如摄像机等获取的只是物体的二维信息，丢失了物体 的高度。为了使机器获得的信息更贴近人类的思想和需求，三维测量技术被广泛的研究和发展。 光栅投影法是一种重要的三维测量技术，通过向物体表面投射编码光栅，将物体的高度信息以 相位的形式隐含在光栅中，利用感光设备获得物体表面的光栅图像，并使用特定算法对图像进行解 码，提取其中的相位，从而建立物体的三维信息。在整个测量过程中，光栅图像中相位信息的求取 是关键。本文从测量的准确性和实时性入手，对相位的计算进行了研究，并提出了两种新的算法。 ( 1 ) 时域相位展开算法和空域相位展开算法是相位计算中的两种主要分析方法，本文在对这两 种方法特点分析的基础上，提出了基于标志线的相位求解方法。新方法将时域和空域相位展开算法 相结合，借助于标志线信息保证测量精度；同时利用传统相位展开算法和分段计算的思想，降低相 位计算的时间，提高了测量的实时性。 ( 2 ) 编码条纹作为物体高度信息的载体，在三维测量中发挥着重要作用。本文从图像编解码的 角度入手，提出了基于错位条纹的三维测量方法。错位条纹的编解码借助于相移条纹。测量中，相 移条纹用来计算包裹相位，错位条纹用来将包裹相位进行展开。与以往准确度高的相位计算方法相 比，本方法鲁棒性较好，并在保证测量精度的同时减少了投影光栅数量。 文中对提出的算法分别进行了实验，实验结果表明，在三维测量中，本文提出的两种算法均有 良好的测量结果，在高精度测量的基础上，提高了测量的实时性。 关键词：三维测量，光栅投影法，相位展开，标志线，错位条纹 a b s l ：r i c t a b s tr a c t 蜀t l e ：r e s e a r c ho f t h ef 签tm e 邪u r e m e mm e m o d si i l1 1 鹏e d i m e i l s i o n a lp r o f i l o m e n ys y s t e m m 硒t e rc a n d i ( 1 a ：c e ：w a n gx i n s u p e r v i s o r ：d af e i p e n g o r i g a n i z a t i o n ：s o u t i l e a s tu n i v e r s 时 p e o p l el i v e i i lat i l r e e - d i m e i l s i o n a lw o r l d 锄d 。e x p l 如m a n yo b j e c t sb yn l e i rt l l r e e d i m e l l s i o i l a l i i l f o 衄a t i o n h o w e v e r ，吐l ei n f i o 册a t i o na c q u i r e db yt i l ei n s 叽肺e n t si st 、v c 卜d i m e n s i o n a la n d 廿1 eh e i g h t c 量l 乏锨e r i s t i co fm eo b j e c t si sl o s ti nm a n yt i m e s i i lo r d e rt om a k et l l eo b t a i n e di i l f o 帅a t i o nf 如mn l e m a c h m e 巧f i th u m a n sn e e d s ；t h r e e 司i m e n s i o n a lm e 勰u r e m e n tt e c l l l l o l o g yi sw i d e l y 锄dt h o r o u g h l ys t u d i e d g r a t i n gp r o j e c t i o nm e m o di s 0 n eo ft i l em o s tp o p u l a r 雠l r e e d i m e i l s i o n a lm e 雒u r e m e n tm e t h o d s d u r i n gm em e 笛u r i n gp r o c e s s ，n l e 肿t i l l gi sp r o j e c t e do n t 0 也eo b j e c t 向瓯锄dt 1 1 朗t h ei i n a g eo fn l e 则i n gm o d u l a t e db yt l l eo b j e c ti sa c q u i r e db yac 锄e 忱b yd e c o d i n gt h e 争撕n gi m a 萨，也ep h 够ew h i c hi s c a r r i e di i l 也e 舯士i n gi sg o t 锄dt i l eh e i 曲ti i l f o m a t i o no f 廿l em e 雒u r e do b j e c ti sr e c o v e r e d t h ep h a s e c a l c u l a t i o ni sa k e yp r o c e s si i ln 1 呤m e 勰u r e m e n t 勰dt h er e l a t e dr e s e a r c hi sc 硎e do u t 行o mt i l ep e r s p e c t i v c o fm e 弱u r e m e ma c c u r a c y 锄dm a jt i m ep e 雨髓锄c e ，柚dt w 0n 0 、，e la l g o r i t h i i l sa r ep 托s e m e d 邪f o l l o w s ： ( 1 ) a na 1 9 0 r i t l l n lu s i n gs i 印l i n et 0u n 啪pp h 鹬ei sp r o p o s e db 舔e d0 nt l 】呤锄a l y s i so ft i m ep h a s e u n w r a p p i i 玛锄ds p a c ep h 笛eu i l w r a p p i n gm 础o d s i i lm i sa l g o r i t h m ，m es i g nl i n e ne n s u r et l l ee x a c t l l e s s o fn l er e s u l t ，锄dt h ea l g o r i n l mc o m p l e ) 【i t yi s1 0 wb yu s i i l go fm es c a n 一1 i n ep h 舔eu n w 阻p p i n gm e m o di nt h e c a l c u l a t i o n ( 2 ) a st l l ec a 玎i e ro f 锄o b j e c t sh e i g h ti n f 0 咖a t i o 玛t l l ec o d eg r a i n gp l a y s 锄i m p o r t a n tm l ei l l t l l r e e - d i m e n s i o n a lm e a s u r e m e n t a ni n t e r l a c e d 衔n g e s 孕a t i n gc o d i n g 锄dd e c o d i n ga l g o f i 付l mi sp r e s e n t e d t 1 1 er e l a t i o nb e t 、 ，e e nt l 他i n t e r l a c e d 衔n g e 觚dn l ep h a s e s h 谂劬1 9 e si sak e ye l e m e mi i lm e 射g o r i t i l n l d u r i n g n l em e a s u r e m e n tt h ep h a s e - s l l i f l 黟铽i n g sa 陀c a p 佃r e dt 0c a l c u l a 士et i l ew r a p p e dp h a ，a n dt h e no l l l y 0 n ei n t e r l a c e df h n g ei sn e e d e dt 0u n w r 印廿l ew r a p p e dp h a s e t h ea l g o r i m mi sl e s si n f l u e n c e db yt t l ee 任e c t o fn l eb a c k g r o u n da n dt h eu 鹏w n 他n e c t i v i 够o ft l l em e 筋u r 酣o b j e c t s s u r f k e ，w h i c hi sb e n e f i c i a j f o r m e u r e m e n ta c c u m c y 锄dt h es y s t e 】m sr o b 嘶e s s e x p e r i i n e n t sa r ec a 玎i e do u tf - o r t i l ea b ( y v em e n t i o n e d 铆oa 1 9 0 r i t i m ：l s t h er e s u l t ss h o wm a tt h e a l g o r i 廿l m s 、0 r kw e l li i lt 1 1 r e e - d 皿e n s i o n 出m e 嬲u r e m e n ts y s t e m 锄dc a n 星眦t h ei n f 0 咖a t i o nr a p i d l y 锄d e x a c t l y 琢i yw o r d s ：t 1 1 r e e _ d i m e n s i o n a lm e 私u r e m e 鸭鲫i n gp r o j e c t i o 玛p h a s el l i l 唧p i n g ，s i 印l i n e ，i i l t e r l a c e d 衔1 1 9 e 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1 三维测量技术的背景和现状l 1 1 1 三维测量主要技术和产品分析1 1 1 2 三维测量的应用4 1 2 光学三维测量技术发展5 1 3 光学三维测量技术介绍6 1 3 1 基于调制度的三维测量方法7 1 3 2 莫尔条纹法一8 1 3 3 基于相位分析的三维测量方法9 1 3 4 光学三维测量技术问题分析9 1 4 本文目的和结构1 1 第二章基于相位法的光栅投影三维测量系统开发1 2 2 1 测量系统的建立1 2 2 2 测量系统的标定1 4 2 3 相位的求取1 5 2 3 1 初始相位求解1 6 2 3 2 相位展开计算1 9 2 3 3 复杂光栅的编码研究2 l 2 4 本章总结2 2 第三章基于标志线的解相位方法2 3 3 1 初始相位的测量2 3 3 2 传统的解包裹原理2 4 3 3 基于标志线的解包裹算法2 6 3 3 1 基于标志线解包裹的提出2 6 3 3 2 标志线的设置和获取2 7 3 4 利用标志线进行相位展开3 1 3 4 1 相位展开3 2 3 4 2 正确性判定3 2 3 4 3 对出错区域的处理3 3 3 5 实验及分析：3 5 3 5 1 实验步骤3 5 3 5 2 实验分析3 6 3 6 本章总结3 7 第四章基于错位条纹的三维测量方法3 9 4 1 格雷码法3 9 4 2 错位条纹法原理4 l 4 2 1 基本概念4 1 4 2 2 基本原理4 2 i i i 第 致 参 作 第一章绪论 第一章绪论 1 1 三维测量技术的背景和现状 视觉活动是人类获取信息的主要手段。传统的视觉信息主要是指二维图像信息，如 生活中的照片、影视信息等，以平面扫描仪、摄像机、图像采集卡等为代表的二维信息 扫描设备近年来已得到广泛的应用和推广；而现实生活中，人们将现实世晃视为一个三 维空间，因此三维信息往往更能体现现实需要，也更能让大家真实地体会事物的特征。 物体的二维成像技术在生产生活中有极大的作用，如x 光技术、工业生产、平面设 计、场景记录、区域定位等。但随着科技的发展，对物体三维信息的需求越来越强烈， 如在制造业中【l 捌，快速准确地获取产品三维型面是产品设计、加工控制( c a d c 蝴) 和检测的有力保障；在医疗领域【3 4 j ，快速准确地获取人体器官的三维信息，对医疗诊断、 整型、美容等意义重大；在文物保护领域【5 】，三维信息的保存比图像资料更准确，可以 用于文物的三维存样和虚拟显示；在航空航天领域，三维外形的检测、分析对空气动力 学的分析意义重大，如发现号航天飞机上对缺损隔热瓦的三维检测与性能影响分析；在 文化领域，直接用获取的三维信息进行动画设计、特技制作已经成为影视创作的重要方 法；在科研领域，对物体形变的光学测量是实验力学的重要方法，而在空间探索领域， 三维视觉同样扮演了重要的角色。 因此，对物体三维特征的描述和物体表面三维信息的获取变得尤为重要，而三维测 量技术的不断发展和一系列三维测量产品的开发也适应了这种需求。 1 1 1 三维测量主要技术和产品分析 按照测量设备和被测物体是否接触，三维测量可分为接触式测量和非接触式测量； 在非接触式测量中，处于主导地位的是光学测量。通过对相关文献的查阅，对三维测量 技术进行了简单的分类和说明，分类情况如图1 1 所示。对其中一些常用概念说明如下： 接触式三维测量：接触式测量使用测头( 探针) 与被测物直接接触，通过对被测物 体的轮廓逐点采集处理，进而得到被测工件的位置或形状信息。接触式测量的特点是测 量精度高，对被测物的材质和色泽无特殊要求，对不具有复杂内部型腔、特征几何尺寸 多、只有少量特征曲面的零件有较高的测量精度；但接触式探针本身有一定大小并且测 量时探针容易受力变形，对于有凹槽等探针不容易接触到的区域的物体表面，测量有很 大的局限性，且接触式测量为逐点测量，测量的实时性不高。 光学三维测量：光学三维测量技术是以现代光学为基础，融光电子学，计算机图像 处理，图形学，信号处理等科学为一体的现代测量技术。它将光学图像作为信息检测和 存储的实体，从图像中获取有用信号，完成三维信息的获取。在计算机中，光学图像被 视为一种数字信号，因此数字信号处理的诸多方法都可以用以分析图像，如f f t ( f a s t f o 证e r1 h 玎s f o n n 快速傅里叶变换) ，w f t ( w i n d o 、e df o u r i e rn a l l s f o n i l ，窗口傅里叶 东南大学硕士学位论文 变换) ，e m d ( e m p i r i c a lm o d ed e c o m p o s i t i o 玛经验模式分解) ，小波变换等。 图l l 三维测量技术分类 被动式三维测量：被动式三维测量采用非结构光照明方式，从一个或多个摄像系统 获取的二维图像中确定距离信息，形成三维面形数据。常见的被动式三维测量有双目视 觉、聚焦离焦法。双目视觉1 6 j 属于被动测量，它根据仿生学原理，构造类似于人类双眼 的视觉功能，从两个不同的方向采集二维图像，从中计算出距离信息。被动三维离焦方 法1 7 j 是1 9 8 7 年由p e l l t l a i l d 首先提出的，通过物体的两幅离焦像找出它们的相对模糊度( 两 离焦参数之比) ，由相对模糊度和光学系统的模糊参数关系求出物体的三维结构。被动 测量方法由于其测量结构简单易行，约束条件较少，多用于机器视觉处理；但其测量精 度低，运算量较大，不适合精确的三维信息获取。 主动式三维测量：主动式三维测量采用结构光照明方式，首先由结构光投射设备向 被测物体表面投射结构光，被测物体的三维面形对结构光场的空间或时间调制，使光场 发生变形，利用传感器得到的物体表面的变形光场并以图像的形式送由计算机，计算机 对图像进行解调，即可得到三维面形数据。主动式三维测量具有测量精度高，装置简单， 全景测量等优点，得到广泛研究和应用。 三角法测量：指测量中利用以三角法为基础的系统光学结构。在光学三维测量技术 中，根据空间中光束、感光设备、被测物体之间的三角关系，就可以得到光点的三维坐 标。这种光学结构保证了测量系统的高精度和稳定性，也是整个主动式结构光测量技术 的基础之一。如激光扫描法和基于编码光栅的三维测量都是基于三角法测量原理。 激光扫描法：激光是一种极具能量约束且方向性很好的光源。激光扫描系统使用激 光设备对被测物体投射结构光( 根据结构光的性质可分为点光源，线光源和面光源) ， 2 第一章绪论 然后在另一位置由光感应器( 通常为摄像机) 获取物体表面光场，当激光发射器和感应 器的几何位置已知的时候，可以利用三角法来求取物体表面的三维信息。 基于编码光栅图像的三维测量：将白色光( 或彩色光) 进行编码组合生成光栅图像， 并将此图像经投影仪投射到物体表面，同时由摄像机以图像的形式获取物体表面的光 场，根据图像中像素点的灰度或颜色信息，再利用投影仪和摄像机之间的三角关系，获 取物体表面的三维信息。在这个过程中，光栅图像的编码算法和摄像机采集到图像的解 码算法是研究的重点。 三维测量产品在北美、欧洲和亚洲有广大的市场【8 】。本文对国内外相关三维测量技 术和测量设备的专利申请( 对国内专利的查询通过“中华人民共和国国家知识产权局专 利检索 ，对国际专利的查询；通过d ( d e r w e n ti 姐o v a t i o n si n d e x ( 1 9 6 3 今) ，德温特 世界专利创新索引) 进行检索) 和文献( o s a ，s p i e ，e l s e v i e r ，i e e e ，光学学报等) 进行 查阅，结果表明在三维测量领域的多种技术和产品中，最常见的是接触式测量、结构光 投影测量和激光测量，对应的三维测量产品主要有三坐标测量机、便携式结构光投影设 备和激光扫描设备【8 】。对其进行简单介绍如下。 ( 1 ) 三坐标测量机1 9 d l j 作为三维测量技术商业化的产品，三坐标测量机是最早出现的三维测量设备。三坐 标测量机由主机、测头、电气系统三部分组成。测头是三坐标测量机的重要部件，可分 为触发式测头、扫描式测头和非接触式测头。其中，触发式测头和扫描式测头都采用接 触式探针，通过探针与被测工件接触采集轮廓点，然后进行相应处理，进而得到被测工 件的位置或形状信息。由于接触式探针本身有一定大小且测量时探针容易受力变形【l o 】， 使得测量有一定的局限性；而非接触式测头采用光学方法进行测量，测量中测头无需受 力，且不会损伤被测物体表面，但是容易受到环境以及噪声的影响。5 0 年代末出现的三 坐标测量机使用机械式探头，测量成本高且测量精度较低；1 9 7 2 年，英国r e l l i s h a w 公 司研制出使用触发式测头的三坐标测量机，大大提高了测量精度，对三坐标测量机的推 广使用起到了极其重要的作用；近年来，将激光轮廓仪安装在三坐标测量仪上，利用激 光轮廓仪测量的精确性和三坐标测量机的灵活性，可以对复杂物体曲面进行相对快速和 准确的测量。 ( 2 ) 便携式结构光投影设备【1 2 - 1 。7 】 测量设备最主要的硬件包括投影仪、摄像机以及处理器。在投影设备对被测物体投 射结构光的同时摄像机对场景进行拍摄，通过对拍摄到的图像进行处理，可恢复出物体 表面的三维信息。这种测量设备可以一次性对物体的整个面形进行测量，相对于逐点测 量，明显提高了测量的速度：同时，对物体表面图像的数字化处理，也保证了测量的精 度。此类设备可以通过设置转台或采用多个摄像机以实现对物体的全方位测量，如德国 的砒砌6 七办胁c 例坦丌仉有一个可转动的底座，提高了测量的灵活性；而g 例m 彳孔塔一 厨型设备，装有两个摄像头，扩大了每次测量的范围。德国的彤良昆阳融场胁朋p 测 量系统使用结构光投影，采用5 轴测量平台，通过转动平台，可实现对物体的全方位测 量。此设备可放置在桌面上，比较适合对较小的物体进行测量。 3 豕雨大学硕士学位论文 ( 3 ) 激光扫描设备【1 8 _ 2 0 】 以激光轮廓仪为代表的激光扫描设备是在工业生产中应用较多的一种三维测量装 置，通常由一个感应器和一个激光发射器组成。通过对物体表面投射激光，可以将物体 表面信息快速准确的数字化。在测量过程中，需要将物体或者轮廓仪不断的移动来完成 对物体的全方位测量。根据移动的方式，可以分为以下几种情况：将激光轮廓仪安装 在三坐标测量机上：这样做可以完成对物体的自动快速测量，并且测量获取的数据不需 要进行点云拼接等后继处理，直接可付应用。如法国的肌d 甩删7 j ，测量精度达到m ； 比利时的 庇护括刎5 被安置在三坐标测量机上，可以灵活的对物体进行全方位扫描； 感应器和物体都移动的激光测量系统：测量过程中，可对被测物体和测量装置同时移 动，这种设备费用较低，但是测量时间较长，如丹麦的口，2 纪幽s f 卯d ，包含可在两个线 性方向上移动的感应器和一个可线性和旋转移动的被测物体放置台，能够完成对物体的 自动测量；手动操作的激光轮廓仪：这种测量设备以手动代替自动，大大提高了操作 的灵活性，代表产品如德国的3 d 么肼册c p 胁册手动操作扫描仪，通过手动操作，可 完成对复杂物体的快速测量，但整个处理过程的自动化程度受损。 1 1 2 三维测量的应用 三维测量被广泛应用于工业生产、质量控制、造型设计、生物医学等许多领域。下 面介绍几种典型应用： ( 1 ) 工业测量 在工业生产中，三维测量技术贯穿于产品设计到检测的整个过程，测量过程精度要 求较高，测量系统必须满足一定的实时性，以适应产品的自动化生产。工业生产中，最 早使用三坐标测量机对产品进行检测，具有很高的测量精度；但三坐标测量机的应用限 制颇多，比如要求被测物体放在固定的位置，被测物体必须有一定的硬度，以免测量过 程中发生形变；另外，三坐标测量机的测量实时性较差，在对大物体的测量过程中，三 坐标测量机有很大局限。为解决上述问题，近年来越来越多的公司使用光学三维表面测 量设备，利用其全局性、快速性的特点，来完成对物体的测量。在计算机软、硬件的支 持下，光学测量设备可以实时地测得零件的三维尺寸，然后输入计算机与标准数据对比， 完成对产品质量的检测。高性能三维测量仪器在工业现场的应用，可以使企业的产品质 量、生产效率和自动化程度显著改善。 ( 2 ) 历史文物保护 在文物考察和保护方面，需要对物品进行测量分析，以便进行科学研究。比如对考 古文物的测量，有利于文物保存和研究；对纪念碑、雕像和古老工艺品等进行测量和数 字化处理，对于记录和监测它们的腐蚀和退化有重要意义。然而对于许多物品，在接触 的过程中容易对其造成损伤，在这方面常采用光学三维测量技术，有着如下优点：首先， 可以在不接触文物的情况下对其进行分析，防止了对文物的损伤；其次，可以对文物建 立全方位的数据信息并且存档；第三，可对物体进行三维重构，建立数字博物馆，让更 多人相对真实地欣赏文物。 4 第一章绪论 ( 3 ) 消费行业 在消费品中，越来越多的产品利用到逆向工程和快速成型技术，比如玩具、手机、 工艺品制造、服装等。在这个过程中，三维测量技术发挥了重大的作用。通过使用三维 测量仪对样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，将这些数据与各种c a d c a m 软件接口，通过在软件系统中对数据进行调整、修补，然后送至数控加工或快速成型设 备进行产品制造。 ( 4 ) 三维人体测量 三维人体测量具有着广泛的应用领域：在时尚潮流方面，对造型设计、服装搭配等 有着重要的作用，如利用三维测量获取人体完整的三维信息，并生成其立体模型，把这 些数据与服装c a d 技术结合，可以由顾客根据自身的需要及爱好，从服装款式库中任 意浏览、挑选、修改、试穿、评估，直到设计出最合适的服装；眼镜作为许多人的必需 用品，在生活中有着重要作用，利用三维测量技术获得人体头部的尺寸，可帮助人们配 得符合自己生理需要和时尚需求的眼镜；在医疗方面，现代医疗诊断常常需要借助一些 辅助设备为诊断提供可靠、完整的信息，因此，人体组织与器官的三维成像技术在现代 临床医学中起着越来越重要的作用。目前常用的数字化方法，主要有计算机断层扫描， 核磁共振成像和超声等。通过这些数字化设备得到人体断层二维图像，在计算机中重建 成三维图像数据，并在屏幕上显示人体器官的立体视图。医生可以将重构出的器官图像 进行旋转、缩放等操作，使医生能够更充分地了解病情的性质及其周围组织的三维结构 关系，从而帮助医生做出准确的诊断和制定正确的手术方案。 ( 5 ) 影视广告业 将演员、道具等的表面三维数据输入计算机，利用计算机三维软件对它们做进一步 的特技处理，可以实现高难度的特技效果。有时甚至可以将演员、动物的三维模型输入 计算机内形成“虚拟演员 ，从而赋予他们不同的表情和动作。这些都将给影视特技制 作带来巨大的变革。 1 2 光学三维测量技术发展 在诸多的三维测量方法中，接触式测量由于接触式探针本身的大小，使其测量范围 受到很大限制，并且在测量过程中，探针容易受力变形，使得测量误差不可控制。另外， 探针需要对物体表面数据进行逐点的密集型采集，使得测量的实时性较差。非接触式测 量在测量过程中不会损伤被测物体表面，并且可以对物体进行全局性、快速性测量，获 得了广泛发展。其中，光学三维测量技术因其原理简单、可操作性强、以及测量精确等 特点，获得了广泛的研究和应用。 光学三维测量技术是以现代光学为基础，融光电子学，计算机图像处理，图形学， 信号处理等科学为一体的现代测量技术。它将光学图像作为信息检测和存储的实体，从 图像中获得三维测量所需信息。相对于其它测量方法，光学测量技术具有高速度、高精 度的特点，从上世纪6 0 年代以来，得到了广泛的研究和应用。其中，以基于激光扫描 的三维测量技术和基于编码光栅的三维测量技术最具代表性【2 捌。 5 东南大学硕士学位论文 上世纪6 0 年代激光技术的出现，带动了激光测量技术的蓬勃发展，激光测量的光 源从点结构光发展到线结构光、面结构光，测量技术从静态点测量发展到动态跟踪测量 和三维立体测量。激光技术最早的应用为时间飞行法固】，通过利用计算同一信号从发送 到接收的时间差来计算发射点到被测物体之间的距离。1 9 6 9 年美国“阿波罗计划”登月 后，利用激光时间测距原理测量地月距离，误差仅为1 5 c m 。近年来，激光扫描技术获 得了广泛的应用和发展，该技术利用三角法测量原理【l 引，通过对被测物体表面投射面型 结构光，并由感光设备得到物体表面的场景，利用简单的几何计算，对物体进行快速三 维测量。激光扫描方法在测量速度和精度上都有很好的表现，被广泛应用于产品开发。 在西欧和北美，激光扫描被广泛的产品化【8 】。丹麦的鲫把幽s f 6 使用桌面简易设备， 易于对小型物体进行精确测量；德国3 d 彳刀砌玎c pp 盯f 安装在机器人上，可在特定的领 域完成三维测量；我国在1 9 8 9 年由四川大学的苏显渝等研制出基于激光结构光的鞋楦 三维面形测量系统【2 4 】，被应用于实际生产；1 9 9 7 年，华中科技大学人工智能研究所李 德华等研制成我国第一台彩色三维激光扫描仪罗说c 9 2 5 1 。 1 9 8 3 年，瞰e d am 和m m o hk 将傅里叶变换用于光栅图像处理【2 6 】，次年s r i i l i v a s a n v 和l i uhc 等人将相移法1 2 7 j 用于光栅投影技术，为光栅投影法三维测量的发展和应用 奠定了基础。此后，光栅投影法的光学三维测量技术向着高精度、高效率、实时化、实 用化的方向迅速发展，出现了大量的研究成果。2 0 0 3 年，德国b r e m e r 大学的b o t h et 等采用平行光轴系统，将c c d 摄像机和投影仪集成在一个2 1 2 0 1 1 c m 的小盒子里， 测量范围在1 m 4 m ，实现了光栅投影系统的小型化1 2 卅；2 0 0 5 年，l ucw 等通过对投影 设备的自适应调光，对表面颜色复杂以及反光特性不佳的物体取得较好的测量效果【2 9 1 ； 2 0 0 6 年，z h a i l gs 等基于三步相移法对物体进行快速实时测量，测量速度达3 0 帧秒， 测量点的数量为每帧2 6 m 1 3 0 1 。近年来我国在这方面的研究也取得了较大的发展，2 0 0 3 年，清华大学和北京天远三维科技有限公司联合开发出一套光学三维测量系统【1 引，该系 统基于四步相移法求解物体表面高度信息，系统可在2 秒钟完成对物体的单面测量，测 量的精度在0 0 5 姗以上；2 0 0 5 年，张启灿等【3 l j 利用频闪结构光的照射，实现了对转速 1 0 8 0 蛐的旋转风扇叶片的测量。在大型、复杂物体表面三维测量方面，1 9 9 9 年，天 津大学的精密测试技术及仪器国家重点实验室基于多视角的c c d 摄像机和经纬仪测 量，研制出e c o 车身视觉检测系纠翊，检测的i v e c o4 0 1 0 型车身总尺寸达5 7 0 0 m m l7 0 0 i n m 2 0 0 0 m m ；同年，s ul i k u i l 等提出基于调制度的测量轮廓术【3 习细o d u l a t i o n m e 2 l s u r e m e n tp r o f i l o m e n mm m p ) ，特别适合测量表面有高度剧烈变化或不连续区域的复 杂表面。 1 3 光学三维测量技术介绍 激光测量对设备有较高的要求，测量费用高，另外激光容易对被测事物造成损害， 比如人体测量、一些对辐射敏感的文物的测量等；彩色图像处理方法近年来有了较大的 发展，利用彩色信息的多样性，可以将多种信息融合在一幅彩色光栅图像中进行投射； 但对于摄像机采集到的彩色图像，如何有效的将彩色图像信息分离是个难点，并且当对 6 第一章绪论 有色物体进行测量时，物体本身的颜色对投影彩色光栅会产生很大的影响；相比较而言， 白色光源对人体无害，利用简单的投影设备即可得到，且对灰度图像的处理技术也相对 成熟；随着计算机技术和投影设备的不断发展，测量精度也不断提高。 在利用结构光对物体进行测量时，根据光的构成，可分为点光源、线光源和面光源。 顾名思义，点光源是一次对物体投射一个点，逐点对物体进行测量，这种测量方法容易 对光源进行跟踪定位，测量中所受干扰相对较少，测量精度高，但由于对物体要逐点扫 描，测量速度比较慢；线光源扩大了对物体的扫描区域，一定程度上提高了测量的速度； 面形光覆盖整个物体区域，测量中可快速完成对物体的整个表面的测量，具有测量全局 性的特点，应用最为广泛。 近年来，利用白色面形光进行三维测量的研究较为广泛和深入。测量过程中，通过 对被测物体投射编码光栅，然后对因物体表面高度调制而产生变形的光场进行分析，获 取物体的高度信息。根据对变形光栅的分析方法进行分类，主要有以下三种测量方法： 基于调制度的三维测量方法、莫尔条纹法和基于相位分析的三维测量方法。 1 3 1 基于调制度的三维测量方法 利用调制度测量【3 3 ，3 4 1 的原理是：将正弦光栅投射到待测物体表面，物体高度变化使 每一点处条纹的对比度不同。理论计算表明，条纹的调制度与条纹的对比度成正比关系， 因此，可以通过计算条纹的调制度来得到物体的高度信息。 将正弦条纹投射到物体表面，从与投影方向相同的方向上探测被测物体的条纹图 形，表示如式1 1 ： 五( x ，力= 厶( x ，y ) + c ( x ，y ) c o s 2 万痧+ 九】( 1 1 ) 图1 2 基于调制度的三维测量方法原理图 7 东南大学硕士学位论文 其中，j r 0 ( x ，y ) 为背景光强，c ( x ，y ) 为条纹对比度，厂为条纹频率，成为初始相位。 在正弦光栅的成像面上，条纹的对比度最大，在其它位置，条纹对比度低，因此在光轴 方向就分布着一组对比度，不同的对比度对应某点到投影系统的不同距离，如图1 2 所 示。在测量中，保持c c d 、分束器不动，将投影系统在纵深范围内移动n 次，在每个 位置处均对其调制度进行计算，得到n 帧调制度图，再找出每一个像素点的调制度最大 值的位置，通过此位置就可计算出此像素点的高度值( 若此像素点在调制度最大时投影 设备相对于参考平面的高度为d ，无物体放置时，投影设备相对于参考平面的高度为么， 则通过d 一矾可求得物体高度) 。 为计算某一位置处的调制度，可在与投影轴垂直的方向对正弦条纹进行相移。以等 间距移动光栅l 次，则某点的调制度可定义为： 工一l一ll m ( x ，y ) = ( x ，y ) s i n ( 2 万f 三) 】2 + 【( x ，y ) c o s ( 2 7 r f 三) 】2 ) j ( 1 2 ) f = of 墨。 其中l 表示光栅移动次数，( x ，y ) 表示第f 幅相移图像的光强。将式1 1 代入式1 2 ： 1 m ( x ，力= 毒三c ( x ，y )( 1 3 ) z 测量中，除利用相移技术进行计算调制度外，还可以用傅里叶变换计算物面上各点 的调制度。2 0 0 4 年，邵双运提出了调制度焦深的概念【3 4 】，分析其对测量结果的影响， 给出了提高测量精度的举措。对测量系统而言，基于调制度的测量方法要求投射设备的 投影方向和探测方向一致，从而实现对物体的垂直测量，尤其适用于测量物体表面高度 剧烈变化或不连续的区域。 1 3 2 莫尔条纹法 莫尔条纹法【3 5 d 7 】将基准光栅投影到三维物体表面上，与受表面高度调制的变形光栅 叠合形成莫尔条纹，从莫尔条纹即可得到物体的深度信息。莫尔条纹法的关键是测量系 统中采用了两块光栅：主光栅和参考光栅，二者叠加即形成莫尔条纹，即物体表面的等 高线。莫尔条纹法一般分为阴影莫尔和更为实用的投影莫尔。阴影莫尔将主光栅放在靠 近被测物体表面处，将参考光栅投影到被测物体表面，形成莫尔条纹，这种方法受到基 准光栅大小的限制。由于制造面积较大的光栅很困难，因此阴影莫尔不利于测量大尺寸 物体。投影莫尔法是将光栅投射在被测物体上，然后在观察侧通过第二个光栅观察物体 表面的变形光栅像，得到莫尔条纹，这种方法可以实现用小光栅测量大物体。 近年来，莫尔方法和c c d 技术、计算机图像处理相结合，逐渐走向实用化。将相 移技术引入到莫尔方法中，形成相移莫尔，解决了无法从一幅莫尔图中判别物体表面凹 凸的问题，并使莫尔计算术从定性走向定量，大大提高了其测量精度。应用中为了提高 图像获取速度和便于使用相移法分析条纹图，可以用两个或多个c c d 同时获取具有不 同相移的莫尔条纹，从中检测出物体原貌。 8 第一章绪论 1 3 3 基于相位分析的三维测量方法 基于相位法的三维测量【3 8 3 9 1 需要向物体投射一个在空间中呈周期分布的光栅场，并 且在测量中以相位来描述光栅场的空间分布，通过求取相位的变化得到点的三维坐标。 由于相位在空间中是连续分布的，所以基于相位计算的光栅投影法可以通过一次投影直 接测量整个面型，这是相位方法的一个突出的优点。相位法测量原理如图1 3 所示。 参 图l 一3 基于相位法的三维测量原理图 图中q 为摄像机镜头光心；q 为投影装置镜头光心，又称投影中心；p 为物点， 在参考面上的投影为尸；日。，如分别为投射光线d d 么，0 n b 的相位；参考面又称虚拟 面，为图中的0 鼎平面。 从图1 3 中可以看出，对于光线q p ，在没有放置物体时，其对应投射光线q 彳； 在放置物体后，光线q p 受物体表面高度信息的调制，对应投射光线d n b 。投影仪投射 的是含有相位变化的正弦光栅，不同的投射光线分别对应不同的相位。因此，根据系统 的测量模型，可以通过q p 光线在摄像机内成像点的相位在物体放置前后的变化求得 胛的高度，从而得到点尸在世界坐标系中的三维坐标。 1 3 4 光学三维测量技术问题分析 三维测量有两个主要的技术指标：测量的准确性和测量的快速性。光学三维测量与 图像处理的相关知识紧密联系。测量过程中，光栅以图像的形式生成并由投影仪投射， 在物体表面形成光场，然后光场以图像的形式被摄像机采集并送至计算机进行处理。其 中涉及到图像的编解码、图像的滤波、去噪等技术，因此三维测量技术的指标与测量步 骤和图像处理过程中采用的算法紧密相关。测量过程中，图像经投影仪投射形成光栅， 光栅经摄像机采集生成图像，因此在这个过程中，光栅和图像所指的概念是相通的，可 不加以区分。 测量结果的准确性与信息的有效提取相关，涉及到测量中源信息( 投射图像信息) 的丰富程度和算法的鲁棒性。对被测量物体表面投射的编码光栅越多，获取的物体表面 的信息也较多，计算的结果也相对越准确。如在相位法中，将相移法和格雷码法进行结 合【删，对物体表面相位的计算精度较高；而将傅里叶变换和传统的相位展开方法相结合， 9 东南大学硕士学位论文 整个过程中仅需对一幅图像进行处理，但获取的信息相对较少，并且信息的获取过程复 杂，测量准确性也较低。 测量的快速性，是当前研究较多的一个课题。测量系统的快速性涉及到下面两个方 面： ( 1 ) 图像采集时间：在现有的光栅投影法测量中，一般通过投影设备投射由计算 机编码生成的条纹图像，在图像的投射和采集过程中，两幅图像之间有时间间隙；相对 于高速计算的计算机来说，投射时间在系统测量时间中占很大比例。 ( 2 ) 计算机处理时间：对采集到的图像按相应算法计算，时间的多少主要依赖于 计算机的硬件配制和算法的复杂度。 测量的速度和精度相互制约，测量速度的提高往往是以牺牲精度为代价。以相位法 为例：在初始相位的求解中，相对于相移法，利用傅里叶变换求解相位可节省投影时间， 但傅里叶变换对相位的求解精度相对较低，且有测量范围的限制【2 6 4 1 】；解包裹过程有较 多的算法，如格雷码、基于质量引导的方法、枝切法等，总得来说，可分为两类：基于 辅助图像的求解算法和基于相位自身的求解算法。基于辅助图像的方法如格雷码法f 删， 此方法有较高的求解精度，但需要投射多幅条纹，实时性较差；基于相位图像自身的特 征进行相位展开，具有较高的实时性，比如传统的相位展开方法，计算效率极高，但精 度却很低；通过寻求图像特征并加以利用，可以提高计算准确性，但却提高了时间复杂 度，如洪水算法。 对于快速性的研究可分为快速测量和动态测量，快速测量要求在保证测量精度的同 时，尽量提高测量的速度，在光栅投影法三维测量中一般体现为尽量减少信息采集的次 数，提高算法的效率；动态测量对实时性的要求更高，在光栅投影法中具体体现为对物 体仅进行一次信息采集即求出物体的三维信息。 动态测量所利用的信息有限，虽然速度快，但精度一般较低；对物体进行动态测量 主要涉及以下技术：傅里叶变换法、小波变换法、彩色图像分析等。为了尽量提高测量 精度，出现了许多改进方法，如双频法、复合光栅投影等；另外也可在硬件方面对测量 系统进行改进，如采用多个摄像机对物体进行同时测量【4 2 4 3 】；z h a l l gs o n g 在【4 4 】中利用 g p u 对图像进行处理，与利用c p u 相比，计算速度提高了四倍以上，测量实时性较好。 对于大部分的三维信息获取来说，总希望首先保证测量的精度，在此基础上通过相 应算法处理，提高测量速度。基于相位法的三维测量中，用相移法得到的初始相位精确 度较高；傅里叶变换是全局变换，在某些细节部分值会被“平滑 ，造成细节部分的丢 失，测量的不精确；小波变换是局部变换，但是中心频