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彩色编码光栅三维轮廓测量及其应用 0 手3 8 。) 列 摘要 f 随着计算机技术的不断发展，三维设计已经被广泛采用，这同时也对三维 测量提出了迫切的要求。由于光学三维测量技术是非接触测量，具有较高的测， 量精度，并且容易实现自动测量，因而受到普遍的关注和广泛的研究a 本寒在 对现有技术进行深入研究的基础上，对投影光栅的编码方法做了深入的研究。 创造性地将数字化技术运用于投影光栅的编码方法之中，提高了光学三维测量 的抗干扰能力，只需一幅图像即可完成三维测量，解决了动态物体的三维测量 问题。 卢一 、首次提出了一种反位相线性周期编码光栅的三维轮廓术，其中采用了两个 位相相反的线性周期变化的光栅光场和一个均匀光场，对被测物体进行三次采 样。在获得物体三维轮廓的同时，又获得了物体的表面纹理。，当背景光很暗时， 经过两次采样即可获得物体的三维轮廓。理论分析表明，采用位相相反的线性 周期光栅光场与位相相差二分之一周期的线性周期光栅光场相比，检测精度可 以提高一倍。，。乙 首次提出了种多通道光学相位测量轮廓术，以克服多次采样测量( 两次 或三次采样) 方法无法对动态物体进行三维测量的局限性。f 其中利用彩色空间 中红色与蓝色互相独立，互不干扰的特性，将两个位相相反的线性周期变化的 光栅分别放在红色与蓝色通道，形成彩色双通道投影光栅。用彩色c c d 获取 图像，从彩色图像的红色与蓝色通道可分别获得两个互相反位相的线性周期光 栅的调制图。在一次采样中即可获得两个通道的测量结果，因而特别适用于对 动态物体进行三维测量。卜。 首次提出了一种用分立的彩色条纹对光栅进行数字化编码的方法，以提高 光学三维测量系统的抗干扰能力。供中投影光栅用白、红、绿、蓝和它们的补 色黑、青、品、黄按照四位二进制原理对光栅进行编码。用白色和黑色条纹分 别表示八位上的1 和0 ；用红色和青色条纹分别表示四位上的1 和0 ：用绿色 和品色条纹分别表示二位上的1 和0 ；用蓝色和黄色条纹分别表示个位上的1 和0 。这样在一个周期中共有6 4 个条纹。这样的空间周期能够胜任一般物体的 摘要 三维测量。由于每个颜色的条纹只有一个逻辑状态，所以这种方法具有较好的 抗千扰能力。、 首次提出了两位数字编码方案。四位二进制编码方案可以获得较大的光栅 周期，但在解码过程中需要四个彩色条纹才能确定其编码值，解码范围较宽。 翻i 遁二j 二对表面断点较多物体进行测量。两位数字编码方案根据测量对象的要求 司以采用两位四进制编码，或两位n 进制编码。这一编码方案的空间周期虽然 不象四位二进制编码方案那样长，但它只需两个条纹即可确定条纹的编码值， 适f 对表面断点较多物体进行测量。 。 首次提出了彩色组合编码方案。利用彩色空间八种分立的彩色条纹对光栅 进行编码提高了三维测量系统的抗干扰能力，但这八种颜色的抗干扰能力并不 完拿相同。其中自、红、绿、蓝四种颜色的条纹的抗干扰能力最强。皤；色组合 编码疗案用四种颜色的条纹获得了较大空间周期的编码光栅。它以白色条纹为 起始位，后接红绿蓝三种颜色的条纹组成一组。改变红绿蓝的排列顺序可使各 组苜不同的编码。根据排列组合原理，红绿蓝三色可有六种不同的排列方式， 因此一个周期中共有2 4 个条纹组成。) 、 首次提出了链式编码方案。彩色组合编码方案用四种颜色的条纹获得了较 大的空间周期，但它的解码范围较宽，包括黑条纹在内需要五个条纹宽度才能 完成解码。链式编码方案同样采用白红绿蓝四种颜色对光栅进行编码，在四种 颜色的条纹中，包括本身颜色在内，每两个条纹的组合方式一共有1 6 种。将 每种组合首尾相接组成链式编码光栅，在一个光栅周期中每一种彩色条纹与 矧邻的彩色条纹的组合只出现一次。这就使我们能够由两个条纹的组合方式确 定条纹的编码值。这一编码方案的空间周期虽然比组合编码方案的空间周期 矧，但它的解码范围小，只需两个条纹即可完成解码。) t 针对彩色编码投影光栅三维轮廓术所需的分色技术要求，本文根据光度学 的原理，提出了一种由r g b 格式到h i s 格式的变换关系，同时给出了逆变换 关系式。( 在h i s 格式中将亮度与颜色信息分离开，在进行分色处理时可以不受 亮度变化的影响。通过设定固定的阈值，可以将红，绿，兰，青，品，黄几种 颜色有效地区分开来。t ，* f 本文最后给出了彩色编码光栅进行实际测量的应用实例。根据测量对象的 i i 彩色编码光栅三维轮廓测量及其应用 特性适当选择编码光栅，并对测量系统进行适当调整。在对足部进行测量时， 采用足跟定位的方法，用一套测量系统完成了足前部的三维轮廓测量和足长的 测量。在对人体进行测量时，采用两个平面反射镜解决了用一套测量系统完成 人体前后两面同时测量的问题，保证了对动态人体进行测量时前后两面的一致 性，取得了很好的测量结果。三维测量是进行计算机三维重建的前提条件。本 文最后研究了用图像融合的方法进行三维重建的方法和所需的图像变换式。、 关键词： 光学轮廓术，三维测量，彩色编码光栅，数字编码，投影光栅。 i i i 彩色编码光栅三维轮廓测量及其应用 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g i e s ，3 - dd e s i g nt e c h n i q u eh a sb e e n w i d e l yu s e da n dt h ed e m a n do f3 - dm e a s u r e m e n to fo b j e c t sb e c o m e su r g e n t s i n c e t h eo p t i c a lp r o f i l o m e t r yi so fn o n t o u c h i n gm e a s u r e m e n t ，w i t hh i g hp r e c i s i o na n d e a s yt ob ea u t o m a t i o n ，i th a sb e e ns t u d i e dt h o r o u g h l y b a s e do nd e e p l ys t u d yo nt h e e x i s t i n gt e c h n i q u e s ，w ei n v e s t i g a t et h ec o d i n gm e t h o do fp r o j e c t i n gg r a t i n g w e s u c c e s s f u l l ya p p l yt h ed i g i t a lt e c h n i q u et ot h ec o d i n gm e t h o do fp r o j e c f i n gg r a t i n g t h ea b i l i t yo fa n t i - n o i s ei s i m p r o v e dg r e a t l y o n l y o n ei m a g ei sn e e d e di nt h e m e a s u r e m e n tp r o c e s sa n ds ot h e p r o b l e mo fd y n a m i cm e a s u r e m e n to fm o v i n g o h i e c l si ss o l v e d an e wl i n e a rc o d e dp r o f i l o m e t r y , w h i c hu s e st w op h a s e o p p o s i t el i n e a r g r a t e l i g h t sa n d o n e h o m o g e n e o u sl i g h t ，i sp r o p o s e d b yt h r e et i m em e a s u r e m e n t s ，w ec a n o b m i nn o to n l yt h es h a p eo ft h eo b j e c t ，b u ta l s ot h es u r f a c et e x t u r e w h e nt h e b a c k g r o u n dl i g h ti sd a r ke n o u g h ，t h es h a p eo f t h eo b j e c tc a nb eo b t m n e d b yt w o t i m e m e a s u r e m e n t s i ti ss h o w e db yt h e o r e t i c a l a n a l y s i s ，t h ep r e c i s i o nw i t ht h i st e c h n i q u e i so n et i m eh i g h e rt h a nt h a tw i t ht h e l i n e a r l yc o d e dp r o f i l o m e t r yf u l f i l l e db yt w o h a l f - p e r i o dp h a s es h i f t i n gg r a t i n gl i g h t s an e wm e t h o do fm u l t i c h a n n e lp h a s em e a s u r i n gp r o f i l o m e t r yi s p r o p o s e dt o s o l v et h ep r o b l e m so fd y n a m i cm e a s u r e m e n to fm o v i n go b j e c t si nm u l t i s a m p l i n g m e a s u r e m e n t i nc o l o rs p a c e ，r e da n db l u ea r ei n d e p e n d e n t ，s o t h e yc a nb er e g a r d e d a si n d e p e n d e n ti n f o r m a t i o nc h a n n e l s t w o p h a s e o p p o s i t el i n e a r l yc o d e dg r a t i n g sa r e p u ti l l r e da n db l u ec h a n n e l s ，r e s p e c t i v e l y ，f o r m i n gac o l o rc o d e d p r o j e c t i n gg r m i n g t h ei m a g ei sr e c e i v e db yac o l o rc c dc a m e r aa n dd i g i t i z e db yp cb a s e df r a m e g r a b b e r f r o mr e da n db l u ec h a n n e l sw ec a no b t a i nt w op h a s e - o p p o s i t e g r a t e m o d u l a t e dp i c t u r e sw i t hs i n g l ei m a g e t h ep r o p o s e dp h a s em e a s u r i n gp r o f i l o m e t r y c a l lb eu s e di nt h em e a s u r e m e n to fad y n a m i c p r o f i l e af a s ta n de f f i c i e n tt e c h n i q u ef o rp m f i l o m e t r i cm e a s u r e m e n t u s i n gc o l o r c o d e d i v a b s t r a c t g r a t i n g i s p r o p o s e d e i g h t c o l o r sa r eu s e dt oc o d et h e g r a t i n g a n de a c hc o l o r r e p r e s e n t so n l y o n e l o g i c a l s t a t e w eu s e w h i t e ，r e d ，g r e e n ，b l u e a n dt h e i r c o m p l e m e n t a r yc o l o r , b l a c k ，c y a n ，m a g e n t aa n dy e l l o ws t r i p e st oc o d et h eg r a t i n g w ec o d et h eg r a t i n gb a s e do nt h eb i n a r ys y s t e m w eu s et h ew h i t ea n dt h eb l a c k s i p e st or e p r e s e n t1 a n d0o nt h ee i g h t sp l a c e ，r e da n dc y a nt or e p r e s e n t1a n d0o n t h ef o u r sp l a c e ，t h eg r e e na n dm a g e n t at or e p r e s e n t1a n d0o nt h et w o sp l a c ea n d t h eb l u ea n dy e l l o wa r eo nt h eo n e sp l a c eo ft h eb i n a r ys y s t e m ，r e s p e c t i v e l y t h e r e a r e6 4s t r i p e si no n ep e r i o do ft h ec o l o rg r a t i n g ，w h i c hi sl a r g ee n o u g hf o rn o r m a l m e a s u r e m e n t s i n c et h es t r i p e sa r ew i t h o u tg r a ys c a l el e v e l s ，t h es y s t e mp o s s e s s e s h i g hd i s t u r b a n c e r e s i s t a n c ec a p a b i l i t y a sc o m p a r e dw i t h t h ep r e v i o u st e c h n i q u e s ，i t h a st h e a d v a n t a g e so fs i m p l e h a r d w a r ew i t h o u tm o v i n gm e c h a n i c a lp a r t ，s i n g l e e x p o s u r e f o r o b t a i n i n g 3 - di n f o r m a t i o n 1 i r l ei n f l u e n c eo ft h en o i s ea n dt h e n o n l i n e a r i t y o ft h ec c dc a m e r ao nt h em e a s u r e m e n t a c c u r a c y , a n dh i g h e ra n t i c o l o r - b l u r i n gc a p a b i l i t y at w ob i t s d i g i t a lc o d i n gm e t h o di sp r o p o s e d t h ef o u rb i t sb i n a r ys y s t e m c o d i n gm e t h o dc a ng e tl o n gp e r i o dg r a t i n g ，b u tt h ed e c o d i n gp r o c e s sn e e d sf o u r s t r i p e st od e t e r m i n et h ec o d e d n u m b e ro ft h es t r i p e sw h i c h o c c u p y t o ol a r g er a n g et o b es u i t a b l ef o rt h eo b j e c t st h a th a v em a n yd i s c o n t i n u ep o i n t s t w ob i t sd i g i t a lc o d i n g m e t h o dc a n a d o p t t w ob i t sq u a d r u p l e s y s t e mo rt w ob i t sn - s y s t e mt oc o d et h eg r a t i n g a l t h o u g ht h ep e r i o do f t h eg r a t i n gi sn o ta sl a r g ea st h a to ff o u rb i t sb i n a r ys y s t e m ， o n l yt w os t r i p e si sn e e d e dt od e t e r m i n e t h ec o d e dn u m b e ro ft h es t r i p e s t h i sc o d i n g m e t h o di ss u i t a b l ef o rt h eo b j e c t st h a th a v em a n ys t o pp o i n t s a p e r m u t a t i o nc o d i n gm e t h o di sp r o p o s e dt oi m p r o v et h ea b i l i t yo fa n t i n o i s e t h ec o l o r - c o d e dg r a t i n gw i t he i g h tc o l o rs t r i p e si m p r o v e st h ea b i l i t yo fa n t i - n o i s e ， b u tt h ea b i l i t yo fa n t i n o i s eo ft h ee i g h tc o l o rs t r i p e si sd i f f e r e n t t h ew h i t e ，r e d ， g r e e na n db l u es t r i p e sh a v eh i g h e ra b i l i t yo f a n t i - n o i s e s ow ec a nu s et h ew h i t e ，r e d ， g r e e na n db l u es t r i p e st oc o d et h eg r a t i n gt og e th i g h e ra n t i - n o i s ea b i l i t y t h eg r a t i n g i sc o m p o s e do f w h i t e ，r e d ，g r e e n ，b l u ea n db l a c ks t r i p e s ，t h ew h i t es t r i p ei su s e da s t h eb e g i n n i n gs t r i p e , w h i c hi sf o l l o w e db yr e d ，g r e e na n db l u es t r i p e s c h a n g i n gt h e v 彩色编码光栅三维轮廓测量及其应用 o r d e ro fc o l o rs w i p e s ，w ec a ng e td i f f e r e n tc o d i n gg r o u p s a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e o f p e r m u t a t i o n ，t h e r ea r es i xk i n d so fa r r a n g e m e n t o fc o l o rs t r i p e sf o rr ，g ，bc o l o r s ， a n ds o2 4s t r i p e sa r ei no n e p e r i o do f t h eg r a t i n g ac h a i nc o d i n gm e t h o di sp r o p o s e d t h ep e r m u t a t i o nc o d i n gm e t h o dn e e d sa t l e a s tt h r e ec o l o rs t r i p e st od e c o d et h eg r a t i n g t h ec h a i nc o d i n gm e t h o da l s ou s e st h e w h i t e ，r e d ，g r e e na n db l u es t r i p e st oc o d et h eg r a t i n ga n dn e e d st w o c o l o rs t r i p e sf o r d e c o d i n g t h e r ea r e16k i n d so fc o m b i n a t i o no ft w oc o l o rs t r i p e su s i n gf o u rc o l o r s t r i p e s w es e l e c te a c hc o m b i n a t i o no n l yo n c ei no n ep e r i o da n dt h eh e a do ft h i s c o m b i n a t i o ni st h ee n do ft h el a s tc o m b i n a t i o n w ec a nd e t e r m i n et h ec o d i n gv a l u e b yt h ec o m b i n a t i o no f t w os t r i p e sf o rt h i sc o m b i n a t i o ni su n i q u ei no n ep e r i o do ft h e g r a t i n g a l t h o u g ht h el e n g t ho ft h eg r a t i n gp e r i o d i sn o ta s l a r g ea st h e c a s eo f p e r m u t a t i o nc o d i n gm e t h o d ，o n l yt w os t r i p e s i sn e e d e dt od e t e r m i n et h ec o d e d n t m l b e ro ft h es t r i p e s w ep r e s e n tat r a n s f o r m a t i o nf r o mr o bm o d e lt oh 1 sm o d e lb a s e do nt h e l u m i n o s i t yo f t h eo b j e c ta n di t sr e v e r s et r a n s f o r m a t i o n i nh i sm o d e l ，t h eb r i g h t n e s s i ss e p a r a t e df r o mc o l o r t h u s ，t h eb r i g h t n e s sh a sn oi n f l u e n c eo nt h ed i s t i n c t i o no f c o l o r s b ys e r i n gc e r t a i nt h r e s h o l d s ，w ec a ne a s i l yd i s t i n g u i s hr e d ，g r e e n ，b l u e ，c y a n ， m a g e n t a a n dy e l l o w s t r i p e si nh i s m o d e l f i n a l l y ，w ea p p l yt h e c o l o r c o d e d g r a t i n gt e c h n i q u e t os o m ep r a c t i c a l3 - d m e a s u r e m e n t s w es e l e c tt h ec o l o r c o d e dg r a t i n ga n da d j u s tt h em e a s u r e m e n ts y s t e m a c c o r d i n gt o t h es p e c i f i co b j e c tt ob em e a s u r e d w eu s eo n l yo n em e a s u r e m e n t s y s t e mt om e a s u r et h e3 - ds h a p eo f h u m a n f o o ta n dt h el e n g t ho f t h ef o o t w h e nw e m e a s u r et h eh u m a n b o d y , w e u s et w o p l a n em i r r o r st or e f l e c tt h ef r o n t a n db a c ks i d e s o fh u m a n b o d y s ow e c a nm e a s u r et h ef r o n ta n dt h eb a c k3 - d s h a p e o fh u m a n b o d y f r o mo n l yo n ei m a g e t h e3 - dm e a s u r e m e n ti st h ep r e r e q u i s i t eo f3 - dr e c o n s t r u c t i o n w e f i n a l l ys t u d yt h e3 - dr e c o n s t r u c t i o nb yf u s i o no fi m a g e sa n dt h ec o r r e s p o n d e n t i m a g e t r a n s f o r m a t i o n k e yw o r d s ：p r o f i l o m e t r y , 3 - dm e a s u r e m e n t ，c o l o r - c o d e dg r a t i n g ，d i g i t a l c o d i n g ，p r o j e c t i o ng r a t i n g v i 彩色编码光栅三维轮廓测量及其应用 第一节引言 第一章绪论弟一早珀下匕 随着个人计算机性能的不断提高和三维设计软件的不断完善，现代工业设 计已经从平面设计全面过渡到了三维设计阶段，从设计到制造的整个过程已经 能够实现自动化。在这一生产循环过程中精确的检测是十分重要的环节，传统 的测量手段已经远远不能适合三维设计的要求。因此现代工业制造对物体三维 轮廓的准确测量提出了迫切的要求。光学三维轮廓测量技术是非接触测量，具 有较高的测量精度，并且容易实现自动测量，是近年来受到普遍重视的测量手 段i l “j 。三维轮廓测量与计算机三维设计共同组成完整的工业设计与检测体系。 三维轮廓测量有着广阔的应用领域，包括智能机器人视觉控制、自动生产线的 在线检测、模具制造的精确测量等。随着个人计算机性能的不断提高以及数字 图像技术的发展，三维轮廓测量在一些应用领域中已经开始由实验研究走向商 业应用。 信息产业的发展，也对三维测量技术提出了新的要求。例如，通过i n t e r n e t 进行三维信息的传输、重建与浏览；在电子商务领域中利用三维浏览技术对产 品进行三维展示以及个人身份验证的三维识别等。 三维重建与浏览 自然界的一切场景都是三维立体的。从传感器取的三维场景的图像序列( 时 间图像序列或双目、多目观测图像序列) 都是二维的。对于有些问题通过对二 维图像的分析便可以解答我们感兴趣的问题。例如，对遥感图像进行纹理分析 可以得到地面农作物的长势和分布。由于传感器与地面的距离远远大于地面的 起伏，三维的场景和物体的立体信息可以忽略，因此二维的纹理分析和形状分 析就足够解决这些问题了。对于较近距离的场景、物体，它们的三维性质往往 不能忽略，不能简单地用二维的方法来处理。 第一章绪论 对于3 6 0 0 空间分布的物体，至少要有三幅图像才能大致描述。要清楚准确 地描述三维空间的物体则需要更多的图像。这中间存在着两方面的问题，一方 面窿一系列图像中存在着很大比例的重叠，造成了大量的信息冗余；另一方面 系列图像有着固定的排列次序，如果某一幅图像的次序发生混乱则会造成整 个系统的混乱。人在接受这些信息的时候要进行大量的分析处理，这样就加重 了获l 双信息的负担。采用三维重建方法可以通过计算机直接构造出三维立体的 虚拟物体，使人们可以通过计算机随意地进行三维浏览而不需要额外的分析处 理。不仅避免了图像信息的冗余，也减轻了人在获取信息时的负担。 ：维重建问题是当前十分活跃的一个领域特别是v r m l ( v i r t u a lr e a l i t y m o d e j i n gl a n g u a g e 虚拟现实造型语言) 标准的建立 j ，使得人们可以通过 ir , t e r n e t 进行三维浏览。随着电子商务的发展，对产品的介绍已不再局限于平 面的图片。用计算机三维立体浏览的方法在网络上展示商品是介绍商品的最为 有效的手段之一。目前大多数浏览器都支持v r m l 标准。 用v r m l 在计算机内构建虚拟的三维物体大体上要经过两个步骤：首先构 造出三维物体的结构；然后在三维结构表面粘贴纹理图。采用光学轮廓术可以 力便地获取物体的三维结构。在此基础上对一系列空间分布的物体的表面纹理 图进行处理后得到完整的纹理图。最后按照v r m l 标准进行三维重建。 三维制造 “量体裁衣”是一句尽人皆知的俗语。但要真正做到量体裁衣并不是一件 容易的事。因为人体是三维空间中的复杂结构体。单纯用皮尺对人体进行测量 搬难定量描述人体的三维结构。光学三维轮廓术是获取物体三维信息最有效的 手段之一。这一技术属于非接触测量，并且由于它易于实现自动控制，能够对 人体的三维结构进行准确测量。在此基础上，结合三维设计软件可以真正做到 “量体裁衣”。 我国的制鞋业在国际市场上占有重要的份额。在制鞋工业领域中，利用高 技术提高我国的市场竞争力是当前迫切需要解决的问题。仅仅停留在传统的依 靠经验设计的水平上是远远不够的。因此，利用光学三维轮廓测量技术对人的 足部进行三维自动测量有着非常重要的意义。 2 彩色编码光栅三维轮廓测量及其应用 三维识别 近年来，随着i n t e m e t 的发展，人们可以从全世界任何一台计算机访问 其他计算机的资源和运行程序。做到这一点只需要i n t e r n e t 的网络站点上登 记注册就可以了。那么如何验证访问数据的用户是否被受权了呢? 单纯采用 密码和个人识别号码非常容易被盗用。因为所谓保密性最强的数字密钥已经 挡不住黑客们( h a c k e r ) 的进攻t f 。所以研究可靠的加密技术成为保障网 络安全性的关键问题。人脸是验证个人身份的最有效的手段之一。人脸的仿 造要比计算机密码、个人识别号码和声音的仿造困难得多。同时，人脸的实 用化要求还来源于它的方便性，用户无需携带保密卡和记住一长串的密码。 只要人脸不受到意外伤害，他都是独具特征的识别码。另外以人脸做为识别 手段还有一个好处是，即使发生了误判，行骗者的面部特征也留在计算机系 统中了。可以很方便地对行骗者进行查找。 对人脸的二维图像进行识别已经有许多人进行了深入的研究【9 加】。然而， 以人脸的二维图像作为识别对象存在一定的不确定性。因为人脸的二维图像 只是人脸三维轮廓的投影图，并主要是人脸轮廓的边缘信息。而它的三维轮 廓只能根据人视觉经验来大致的想象出来。二维图像的灰度变化与三维轮廓 之间没有定量的关系。此外，脸部的化妆可以直接改变二维图像的特征。以 这种不准确的信息作为识别的依据必然会造成识别中的错误。 人脸的三维轮廓有着很好的稳定性。特别是跟眶和鼻子周围受骨骼的支撑 变化非常小。可以作为稳定的识别对象。获取人脸的三维轮廓是进行人脸三 维识别的关键技术。因为人脸属于移动物体，对人脸进行三维采样测量必须 要在瞬时完成，对小范围的移动不应有严格的限制。同时也不能采用激光光 源，因为激光对人眼有定的伤害。对三维人脸的识别，即可以采用与二维 图像相同的识别方法，也可以采用特征识别的方法。由于人脸的三维轮廓是 人脸的定量描述，其识别率要比二维图像识别高得多。 3 第一章绪论 第二节光学三维轮廓测量技术的发展概况 在长时期的生物进化过程中，光一直是动物界感知外界信息最重要的媒 体。各种动物根据自身生存的需求经过长期进化具有利用光准确测定空间位置 的能力。双目立体视差测距是包括人类在内的动物界普遍采用的方法。 立体视差测距原理叫4 1 设0 和0 ：是物体表面上的两个点，l l 和l r 是左右相机的光学中心位置， l 。与l r 之间的距离为b ，左右相机具有相同的焦距f 。0 。和0 2 在左相机的图 像平面上形成的象点分别是0 ，。和0 ：。，在右相机的图像平面上形成的象点分 别是0 ，“和0 ：“，从0 。和0 ：到左右相机的透镜连线的距离分别是d 和d ，如 图11 所示。 0 ， 图1 1立体视差测距原理图 o 8 过l 。和l r 作垂直于图像平面的直线，垂足分别是a 。和a 。，过0 。和0 ：作 畦卣f 图像平面的直线，垂足分别是b 。和b 。a 。b 。的长度记为p ，a 。b 。的 长度记为p 。0 2 。a l ，a l0 l 。，0 2 8a r a r0 1 8 的长度分别为，a ，b 4 彩色编码光栅三维轮廓测量及其应用 和0 。 对物体表面上的点0 ，由相似三角形性质有 生：垡 pp + 口 d d + f ( 1 2 ) p 七bp 七b 七8 由式( 1 1 ) 和式( 1 2 ) 得到 od 2 p f( 1 3 ) 1 3d = p f + b f ( 1 4 ) 因此 d ： 坚 ( 1 5 ) b o l 式( 1 5 ) 中的目一a 就是o 在图像平面上的视差。 视差就是物体表面上同一个点在左右图像的成像点的位置差异。如果知道 某一点在左右图像的像点位置，那么它们的位置差( b c i ) 可以很容易地确 定，这一点的空间位置也就确定了。因此立体视差测距的关键在于如何去寻找 两个图像之间对应的匹配点。人脑具有很强的图像处理能力。人在观察物体时 处理的是连续变化的图像( 随空间分布的变化图像，随时间的变化图像) ，因此 可以轻松地找出左右两幅图像的匹配点。用计算机进行立体视差测距时需要逐 点去寻找左右两幅图像的匹配点，计算的复杂性高，在约束条件不够的情况下， 答案也不唯一。这一问题是当前计算机视觉领域面临的基本困难。 激光扫描三维轮廓术【1 5 2 4 】 激光扫描三维轮廓术是目前应用最广，技术最成熟的三维测量技术。根据 测量物体的要求，激光光束可以是点、线还可以是环。其中以线结构光使用的 最多，称之为光刀。通常产生光刀的方法是投影法。德国的g e r dh a u s l e r 和 w e m e rh e c k e l 2 0 】利用激光束通过一种衍射器件获得很大景深的光笔，用高速转 5 第一章绪论 镜扫描，即获得光刀。这种光刀景深大且线宽窄，但缺点是需要高速转镜，装 置复杂。利用激光柬通过一直立圆柱透镜也可以形成垂直方向的光刀。 扫描 旋转 图1 2 结构光测距原理图 图1 2 是线结构光测距原理示意图。在待测定距离的场景前放置光源和相 机。) 匕源可绕一垂直方向的轴旋转，对景物进行扫描以覆盖整个待测定的场景。 在扫描过程中，相机不断从场景获取图像。光源从场景的一端扫描到另一端， 摄像机采集到的是图像序列。 列于某一幅图像，垂直方向激光面投射到景物的各个物体表面上形成一鲜 明条纹，根据条纹的弯曲变化的形态以及条纹的间断性，构成了景物各个可见 表面与相机光学中心之间的相对距离测定。 结构光扫描法几乎可以适应任何物体的外形轮廓测量。由于扫描激光的强 度是二值化的，并且光强较高，所以不会受到物体表面纹理的干扰。它的缺点 是需要一个扫描装置，而且测量速度慢，不能对动态物体进行实时测量。每当 激光移动一个角度就要获取一幅图象。在整个测量过程中要处理大量的图象。 而每幅图象中有用的信息只占整个图象的一小部分，造成大量的信息冗余。 6 彩色编码光栅三维轮廓测量及其应用 正弦光栅相移测量三维轮廓术【2 5 圳 当光强为正弦分布的投影光栅投射到三维物体表面时，受物体表面形状的 调制，光栅光场将产生变形。变形的光栅光场可以表示为： i ( x ，炉r ( x ，y ) a ( x ，y 卜b ( x ，y ) c o s 2 “x p + 由( x ，y ) ( 1 6 ) 其中r ( x ，y ) 为与物体表面反射率有关的参数，a ( x ，y ) 为背景光强，b ( x ，y ) 为正 弦光栅调制因子，p 为正弦光栅条纹周期，a 由( x ，y ) n 是与物体表面轮廓相关 的相位因子。在( 1 6 ) 式中有三个独立变量，为了解出反映物体面形信息的 相位因子中( x ，y ) ，采用三次采样，每次采样的正弦光栅的位相差2 3 。这 样就得到： i l ( x ，y ) = 啦，y ) a ( x ，y ) + b ( x ，y ) c o s 2 捌p + 由( x ，y ) 】 埝，y 问l ( x ，y ) a ( x ，y 州b ( x ，y ) c e s 2 “x p + a m ( x ，) 2 3 】( 1 7 ) b ( x ，y h 啦，y ) a ( x ，y m 弘，y ) c o s 2 x p + a 中( x ， 4 3 从方程( 1 7 ) 可以消除反射系数r ( x ，卿背景光强n ( x ，y ) 对测量造成的影响， 解出巾( x ，y ) 为： a 巾( x ，炉a r c t g 3 “3 ( 1 3 一1 2 ) ( 2 i i 1 2 一1 3 ) 】( 1 8 ) 求得由( x ，y ) 后，下一步就是确定a 巾( x ，y ) 与物体轮廓或表面高度的 关系。 图1 3 是测量系统的原理图，图中p 点为投影系统的出瞳，c 点为成像系 统的入瞳，p 、c 之间的距离为d 。由p 点到c 点的连线与参考平面r 平行。p 、 c 的连线到参考平面的垂直距离为l 。由投影系统p 点出射的一条光束投射在 参考平面的a 点。当放入物体后这条光线投射在物体表面的h 点。从成像系统 c 点得到的图像中，由于h 点相对参考平面存在高度z 。，使得光线由a 点移到 了b 点。如图1 3 所示，p h c 与a a h b 是相似三角形，所以有： 璺生一墨二兰垃 b a z 7 ( 1 9 ) 第一章绪论 对于i e 弦变化的光栅引入相位变化厶咖“，一则有 妒( x ，y ) ：堕 p 其中p 为正弦光栅的空间周期。由此得出 ( 1 1 0 ) 删：生垒生f 苎! ! ! ( 1 1 1 ) 2 万 将( 1 1 1 ) 式代入( 1 9 ) 式，同时代入p c = d 得到： 7 一 生垒生( ! ! 上) ( 1 1 2 ) 6 ”一2 盯d + p ( x ，y ) 这样就将前面求得的位相信息巾( x ，y ) 转化为物体高度信息。从而达到测 量高度的目的。 r ba x 图1 3 是测量系统的原理图 相移技术要求投影光栅为一正弦光场，正弦光栅尤其是高精度正弦光栅制 作比较复杂，因此通常人们用两个矩形光栅产生的莫尔条纹投影产生一近似的 i f ：弦光场。这将带来一定的误差，结构也比较复杂。 文献 3 7 ，3 8 采用一份二单模光纤耦合器产生正弦光强分布的投影光栅 场，计算机控制压电陶瓷晶体引入相移值，改变出射端两光纤间的距离改变投 8 彩色编码光栅三维轮廓测量及其应用 影光栅场的空间频率，用高低两种频率光栅场对物体进行测量，实现了三维轮 廓自动测量。这种方法的优点是它能产生真正的正弦投影光栅光场，光栅光场 的空间频率能很容易地改变，体积小，重量轻，同时单模光纤芯径只有9 微米， 因此起到一个滤波器的作用，光学噪声被滤掉，产生的光栅条纹具有很好的对 比度。 线性光栅相移测量三维轮廓术【4 卜4 5 线性光栅相移测量三维