（机械制造及其自动化专业论文）基于现场标定的编码结构光三维快速测量系统的研究.pdf

， 天津科技大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 。研究成果。除文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集 体已经发表或撰写的成果内容。对本文研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：费定锋 日期：d 子年弓月衫日 专利权声明 本人郑重声明：所呈交的论文涉及的创造性发明的专利权及使用权完全归天 津科技大学所有。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：费显锛 日期：o k 年3 月诌日 学位论文版权使用授权书 一 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权天津科技大学可以将本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和汇编本学位论文。 保密il ( 请在方框内打“”) ，在年解密后适用本授权 书。 不保密i 咿l ( 请在方框内打“”) 。 作者签名：哲珂乙锛 日期：略年；月 jb 导师签名：珊多毽 日期： p 矿年弓月名日 摘要 近年来，采用结构光方法实现物体表面轮廓三维反求测量技术得到快速发展，它 的特点是对环境要求低，易于实现，测量精度高以及测量范围大。而将编码同结构光 相结合的编码结构光方法不仅具有结构光方法的优点，而且还解决了结构光方法中条 纹难以区分的问题，因此越来越受到研究人员的重视。目前，它已经广泛应用于计算 机辅助设计与制造、逆向工程、工业检测及虚拟现实等领域。 本文针对编码结构光用于物体三维表面轮廓测量技术中的关键技术问题进行了深 入的研究，主要完成了以下研究工作： 1 针对本系统的特点，提出了一种操作简便的三维测量系统标定方法，标定过程只需 要一块可自由移动的共面靶标，即可完成摄像机与投影仪以及相互之间的位置关系 的标定。 2 针对本系统的投影部分，提出利用基于交比不变的原理标定投影仪镜头畸变参数， 标定过程只需投影一幅靶标图像，就可以求解出投影仪镜头的畸变参数。 3 根据测量系统的工作原理，完成了软件系统各个功能模块的软件编程。测量试验表 明系统各项性能指标达到了设计要求。 4 本文以空间点，平面，圆柱，以及异形瓶，和人脸面具为测量样本，验证了该系统 的测量精度及实用性。 5 分析了影响该测量系统精度的主要因素及提高精度的相关对策，对编码结构光方法 的应用性研究起到推动作用。 关键词：三维测量；编码结构光；投影仪标定；共面靶标；交比不变 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e r s ，e l e c t r o - o p f i c a le l e m e n t s ，a n dl a s e r si nt h el a s t f e wy e a r s ，t h r e ed i m e n s i o n a l ( 3 d ) p r o f i l em e a s u r e m e n t so f o b j e c t su s i n gc o d e ds t r u c t u r e d l i g h tm e t h o dh a v ei n c r e a s i n g l yd e v e l o p e di ni n d u s t r y t h el 【i i l do fm e t h o dh a st h ef e a t u r e s o fl o wr e q u i r e m e n to ft h ee n v i r o n m e n t , v a r i o u sc h o i c e so ft h el i g h tp a t t e r n s ，h i g hp r e c i s i o n a n dl a r g em e a s u r e m e n tr a n g e a tp r e s e n t , i th a s a p p l i c a t i o n si nm a n ya r e a ss u c ha s c o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，i n d u s t r i a li n s p e c t i o n a n dv i r t u a lr e a l i t y t h ef o c u so ft h i st h e s i si so nt h e k e yt e c h n o l o g i e so fc o d e ds t r u c t u r e d 1 i g h t3 d m e a s u r i n gs y s t e m ，t h ep r e l i m i n a r ys t u d ya b o u t3 dm e a s u r e m e n tu s i n gc o d e ds t r u c t u r e d l i g h tm e t h o di sc a r r i e do u t t h em a i n w o r ki sa sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt os y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ，as i m p l ec a l i b r a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d w 烛o n l y ac o p l a n a rr e f e r e n c et a r g e tt h a ti sf r e et om o v e ，i tc a l lb eu s e dt oc a l i b r a t et h ec c d ， p r o j e c t o ra n d t h ep o s i t i o no ft h e m 2 an e wa p p r o a c hf o rl e n sd i s t o r t i o nc a l i b r a t i o ni s p r e s e n t e df o r t h ep r o j e c t o ro ft h e m e a s u r e m e n ts y s t e m ，w h i c hu t i l i z e st h ec r o s sr a t i oi n v a r i a b i l i t yo fp e r s p e c t i v e p r o j e c t i o n t h ec a l i b r a t i o np r o c e s s i n go n l yn e e d sac o p l a n a rr e f e r e n c et a r g e t , a n dt h e d i s t o r t i o nc o e f f i c i e n tc a r lb eg i v e nt h es o l u t i o n 3 b a s e do nt h es y s t e mo p e r a t i o n a lp r i n c i p l e ，t h e f u n c t i o n a lm o d u l e so fs y s t e ms o f t w a r e a l ea c c o m p l i s h e d ，a n dt h ep r i n c i p l eo fe a c hm o d u l ei se x p l a i n e d t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a ts y s t e mp e r f o r m a n c ei sg o o d 4 t h ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t t h ep r a c t i c a le x p e r i m e n t sa r eb a s e do nt h ep o i n t s ，p l a n ， c o l u m n ，p l a s t i cb o t t l ea n df a c em a s k t h ep r a c t i c a le x p e r i m e n tv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t y a n da v a i l a b i l i t yo ft h i ss t r u c t u r e dl i g h t3 dm e a s u r e m e n ts y s t e m 5 b o t ha c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n ts y s t e ma n dt h em a i nf a c t o r sr e l a t e dt oi m p r o v i n gi t h a v eb e e na n a l y z e d t h ec o d es t r u c t u r e dl i g h tb a s e do nm e a s u r e m e n t a p p r o a c hp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei nt h eo p t i c a lm e a s u r e m e n t k e y w o r d s ：3 dm e a s u r e m e n t ，c o d e ds t r u c t u r e d l i g h t ，p r o j e c t o rc a l i b r a t i o n , c o p l a n a r r e f e r e n c et a r g e t ，c r o s sr a t i oi n v a r i a b i l i t y 目录 1 前言1 1 1 弓i 言1 1 2 研究背景l 1 2 1 三维物体表面轮廓测量的应用领域“1 1 2 2 光学三维测量技术简介一2 1 3 编码结构光测量技术的简介4 1 3 1 编码结构光测量技术中的编码策略4 1 3 2 国外编码结构光测量的应用现状5 1 3 3 国内编码结构光测量的应用现状5 1 4 本文研究内容”7 1 5 本文的结构安排7 2 编码结构光测量系统的原理及关键技术9 2 1 测量系统简介9 2 2 系统的测量原理1 0 2 2 1 编码原理11 2 2 2 编码结构光的测量原理1 2 2 3 系统设计所涉及的关键技术1 5 2 3 1 测量系统的标定方法1 5 2 3 2 图像特征信息的提取方法1 5 2 4 本章小结1 6 3 编码结构光测量系统的标定方法研究一1 7 3 1 摄像机结构参数的标定1 7 3 1 1 摄像机的标定方法选择1 7 3 1 2 摄像机的线性模型18 3 1 3 摄像机非线性模型2 1 3 2 投影仪结构参数的标定：2 2 3 2 1 投影仪的透视投影模型2 2 3 2 2 投影仪与摄像机之间的坐标关系2 2 3 2 3 投影仪的内外参数标定过程2 3 3 3 交比不变的投影仪镜头畸变参数的求解一2 6 3 3 1 透视投影中的交比不变性质2 7 3 3 2 利用交比不变性标定投影仪镜头畸变参数2 7 3 4 本章小结2 9 4 编码结构光测量系统的软件实现3 0 4 1 系统测量的流程”3 0 4 2 系统标定软件设计及实现”3 0 4 2 1 摄像机内部参数标定模块实现”3 2 4 2 2 投影仪内部参数标定模块实现3 2 4 2 3 输出标定参数文件3 2 4 3 系统测量软件设计及编程3 3 4 3 1 图像的投影与采集3 4 4 3 2 图像处理3 4 4 3 3 生成点云数据”4 5 4 4 本章小结”4 6 5 实验及误差分析4 7 5 1 系统标定实验4 7 5 1 1 摄像机参数标定方法实验一4 7 5 1 2 投影仪参数标定方法实验4 8 5 1 3 基于交比不变的投影仪镜头畸变参数实验叩一一5 0 5 2 系统精度测量实验k 5 3 5 2 1 空间点的验证5 3 5 2 2 平面的验证5 6 5 2 3 标准圆柱体的验证5 7 5 2 4 系统的实际样本测量5 9 5 3 误差分析6 0 5 4 本章小结- 6 2 6 结论6 4 7 展望6 5 8 参考文献6 6 9 论文发表情况7 2 1 0 致谢7 3 i i 天津科技大学硕士学位论文 l 前言 1 1 引言 随着科学技术的快速发展，特别是信息技术的发展和普及，产品的生命周期变得 越来越短，产品的样式个性化越来越明显，产品更新换代频繁。这种激烈的市场竞争 对制造业提出了更高的要求，而缩短产品开发周期降低开发成本是赢得市场竞争的条 件。随着先进制造技术的发展和应用，使得产品开发的快速响应成为可能。逆向工程 技术，尤其是快速化的逆向工程技术则以其独特的优势在产品开发中发挥着越来越大 的作用【l 】【2 j 。 目前，产品的快速开发制造主要采用逆向工程技术，而该技术的一个关键就是三 维数据获取技术。在三维数据获取方面，三维表面轮廓快速测量技术是研究的热点。 随着精密光学扫描技术、激光技术、固体成像技术以及计算机技术、人工智能的发展， 三维测量技术已取得了很多研究成果并达到了较高的水平。 1 2 研究背景 1 2 1 三维物体表面轮廓测量的应用领域 光学三维轮廓测量技术广泛应用在c a d c a e 、逆向工程、在线检测、多媒体技 术、医疗诊断、机器视觉等领域，主要应用如下： ( 1 ) 制造业 工业零件表面轮廓快速三维测量 对于形状复杂的物体，采用人工方式测量其三维表面轮廓数据会遇到诸多的困 难。而使用非接触式测量技术具有明显的优势，可以实现在线快速测量。现在，国内 的一些汽车制造公司已将三维测量系统用于汽车的外形和零件的测量。这种新型测量 系统与接触式测量机相比，具有在线、省时、自动化程度高、测量成本低等优点1 3 】1 4 】。 快速制造系统 快速制造系统的一个重要环节是反求工程，即从实物到数字模型，这正是非接触 式测量技术研究的内容。将非接触式测量系统与快速成型机相结合，可构成快速制造 系统，生产效率大大提高【5 】【6 】。 自动加工和质量控制 三维物体表面轮廓检测在自动加工方面有着广泛的应用。如数控车床上安装三维 检测系统，在加工工件时可根据设定的尺寸和测量的物体表面尺寸进行比较，操纵车 床进行工作，加工出高质量的零件【7 】【8 1 。 对特殊物体的测量 传统的接触式测量方法在对柔软物体进行测量时，容易造成物体表面的变形，甚 l 绪论 至可能对物体表面造成损伤。而非接触测量可以在不损伤物体表面的情况下，获得物 体的三维尺寸1 9 】【1 0 1 。 ( 2 ) 文物保护 光学三维物体表面轮廓测量技术能以不损伤物体的手段，获得文物的三维信息， 利于对文物的保护，该方法优于以往采用的传统手段【1 1 】。 ( 3 ) 医学、考古 光学三维物体表面轮廓测量技术能快速测量出人体各部分的尺寸，包括牙齿、面 部、肢体等尺寸，这对美容、矫形、修复、口腔医学、假肢制作等都非常有用。在考 古工作中，有时需要根据人或动物的骨骼来恢复形状，从而判断人或动物所处的时代 或者生活环境，这时就需要该测量技术将骨骼的三维数据输入计算机，进行形状重构 【1 2 1 o ( 4 ) 影视广告业 影视广告业有时需要在计算机中重构出现实世界已经存在物体的三维模型数据， 特别对人的头部、艺术品等具有自然曲面的物体，人工三维建模难以达到用户要求。 此时可采用非接触快速测量仪器，将表面三维数据扫描入计算机中，构成与现实物体 完全一致的三维模型【6 】。 总之，非接触式光学检测法具有广阔的应用前景，随着相关技术的丰富和完善， 必将在更多的领域发挥更大的作用。 1 2 2 光学三维测量技术简介 光学三维轮廓测量技术是三维测量的一个重要研究方向，该项技术采用光学测量 手段获得物体表面三维空间形状信息。光学三维测量法与传统的接触式测量方法相比 具有非接触、测量速度快、效率高的特点，且适合柔软物体的测量。根据光学三维测 量法原理不同，该项技术可分为不可见光测量法和可见光测量法两类。 ( 1 ) 不可见光非接触测量法 红外线扫描法 红外线扫描法是不可见光测量法中发展比较迅速的一种。它不易受外界环境光变 化的影响，可在黑暗中进行测量，现已广泛应用于工业在线检测、医学诊断等方面。 工业c t 技术 利用x 射线工业c t 技术，解决了隐藏的地方( 如内腔、孔洞等) 无法得到数据的 难题，是无损检测领域的重要技术手段之一。工业c t 对零件复杂程度和材料的限制 较小，可以在不破坏零件的情况下准确地测量出零件的内外表面、空隙和裂缝。其测 量精度满足工业产品制造加工需要【1 3 1 。 ( 2 ) 可见光非接触测量法 2 天津科技大学硕士学位论文 随着机器视觉检测技术的发展，现代曲面形体的表面轮廓测量技术已越来越集中 在可见光非接触测量方面。主要的可见光非接触测量方法分为：激光扫描法、立体视觉 法、结构光法等【9 j 。 激光扫描法 根据光源的性质和特点，激光扫描法可分为点式激光扫描、线式激光扫描和区域 激光扫描三种。激光扫描的速度比较快，但激光扫描的精度受工件材料和表面特性的 影响较大，如光泽的镜面、透明或半透明的材料以及物体的纹理和颜色都难以获得满 意的测量结果。为此人们不得不用专门的材料制作扫描模型或用专门的粉喷涂到被测 表面，使之“灰化”后测量；另外激光扫描系统由于采用机械扫描，其测量精度同时 受到机械传动精度的限制，而且机械制造成本较高。 立体视觉法 该方法是根据人双眼视觉系统的仿生学原理建立起来的，目前已经能够达到一定 的测量精度，主要应用于机器人的视觉系统中。双目视觉的配准复杂，标定难度大， 系统结构灵活性差，对于一般的测量系统调整耗时较多。 结构光法 结构光测量法是近年来的研究热点之一，结构光三维视觉以其大量程、大视场、 较高精度、光条图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特点，近年来在工业环境 中得到广泛的应用。目前，结构光三维视觉的研究主要集中在结构光投射模式、亚象 素级的光条中心提取和处理算法以及标定方法等方面。 根据光学投射器所投射的光束模式的不同，结构光模式又可以分为点结构光模 式、线结构光模式、多线结构光模式、网格结构光模式。所谓多线结构光，是由光学 投射器向物体表面投射了多条光条，其目的一方面是为了在一幅图像中可以处理多条 光条，提高图像处理的效率，另一方面是为了实现物体表面的多光条覆盖从而增加测 量的信息量，较之线结构光模式，多线结构光模式的效率和范围增加，但同时引入了 标定复杂性的增加和光条识别问题。 编码结构光 编码结构光是多线结构光模式中的一种具体应用，是为了区分出投影在物体表面 的每条条纹而进行的一种对条纹编码的方法【1 4 】【1 5 】。编码方法分为时间编码法，空间编 码法和直接编码法。通过将多个不同的编码图案按时序先后投射到物体表面，得到相 应的编码图像序列，将编码图像序列组合起来进行解码，得到投影在物体表面的每条 条纹，进而得到每条条纹所对应的物体上的投影坐标，再由结构光法基本公式得到物 体的三维坐标1 6 】【1 7 】【1 引。 由于编码结构光是多线扫描，其优点是测量速度快，而且它属于主动视觉，对于 部分自身特征较少的物体，编码的同时还可起到人为制造特征的作用，可为测量提供 l 绪论 丰富的特征信息。为此，本文拟对该项技术的应用作深入研究。 1 3 编码结构光测量技术的简介 1 3 1 编码结构光测量中的编码策略 编码结构光根据编码方法的不同，可以分为时间编码法，空间编码法和直接编码 法。对投影图案进行编码的技术非常多，在编码过程中，可以对投影图案的每个点进 行编码，也就是在图像的x ，y 方向上都作编码，点和点之间相互区分开来【1 9 1 1 2 0 。这 种编码方法其实和激光投射单光点的原理相同，在三维测量过程中，可采用线和线相 交的方法求点的三维空间位置坐标。如果投影黑白相间的垂直条纹，可以只在水平方 向x 上进行编码，把条纹相互区分开来，这种编码方法就是用投影仪投射多光条的方 法，在测量过程中，采用面和线相交的方法求出点的三维空间位置坐标【2 。 j p a g e s 根据各种编码策略为当前的编码图案做了一个分类【2 2 1 。首先，将目前的 编码策略分为三大类：时间多路编码策略，空间领域编码策略和直接编码策略。所谓 时间多路编码策略就是在不同时间给编码的点赋一系列值进行编码，每个点在多个时 间上的值组成了该点的编码；空间领域编码策略就是每个点根据其领域点的信息进行 编码；直接编码策略就是每个点根据本身的值进行编码。下面将基于这些编码策略的 结构光测量技术作简单介绍。 ( 1 ) 时间多路编码策略口3 卜【2 6 】 时间多路编码策略主要包括：二进制编码，n a r y 编码，格雷码结合相移编码， 混和编码四种编码策略。基于时间多路编码策略的结构光测量能够用精确的编码表示 每个点的位置，具有扫描密度大，扫描精度高的特点。但该方法只适用于静态物体的 扫描。 ( 2 ) 空间编码策略c 2 7 j 空间领域编码策略主要有以下三类：不规则图案编码；d eb m i j n 序列图案编码； m a r r a y s 图案编码。这种编码策略仅仅使用一幅编码图案，在对每个象素进行编码时 需要考虑其领域象素点。在大多数情况下，这种方法适用于扫描运动物体表面的三维 信息。但是，这种编码策略的解码过程存在许多难点，如对扫描中出现的遮挡或者阴 影，造成解码困难。因此，空间领域编码策略通常仅限于扫描表面变化平缓的物体。 ( 3 ) 直接编码策略【2 8 卜【3 0 1 直接编码策略主要有以下两类：基于灰度级的编码和基于彩色的编码。基于直接 编码策略的测量是使用一幅投影图案，每个点根据其本身的色彩值来进行编码。因此， 这种方法通常需要非常多的色彩值，限制了扫描范围。理论上，这种方法可以获得很 高的三维扫描密度，但是，由于编码之间的距离非常短( 比如色彩与色彩之间的变化非 常小) ，对噪声较为敏感。为了减少物体本身的色彩对编码的影响，通常需要获取若干 幅参考图像，因此，直接编码策略同样不适用于动态扫描。尽管如此，相对于时间多 4 天津科技大学硕士学位论文 路编码策略，直接编码策略大大减少了投影图案的数量，相对于空间领域编码策略， 直接编码策略不需要被扫描物体表面的变化情况。但是该编码策略要求被扫描物体表 面的色彩必须是中性的，而且不能是高饱和度的色彩。此外，使用这种直接编码策略 的系统需要适应对投影色彩整个光谱的感应和识别。 总的来说，当对静态物体进行高精度扫描时，时间多路编码策略是最适用的，比 如c a s p ie ta la n dg u h r i n g 提出的方法。当需要扫描动态的物体时，m a r r a y s 或者伪随 机序列是比较好的空间领域编码策略，这种方法的难点是设计一种强壮的解码算法准 确地识别不连续的部分，目前z h a n ge ta l 提出的算法是该类算法中性能最好的算法。 1 3 2 国外编码结构光测量的研究应用现状 国外研究人员在这方面不但做了大量的理论研究，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 。和e 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。美国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【3 1 1 。 目前市场上全球知名的主要几个品牌有英国3 ds c a n n e r s 公司、美国普赛 ( p e r c e p t r o n ) 、法国k r e o n ，美国f a r o ( 法罗) 等【3 2 卜【3 5 j 。3 ds c a n n e r s 公司是世界最早开发 三维激光测量系统的著名制造商之一，对三维激光扫描市场的影响巨大，其产品是市 场上最优秀的激光扫描系统之一。普赛公司是世界最著名的三维激光测量系统制造商 之一，其在线光学测量产品几乎垄断了全球市场。普赛近年来几乎每年都推出新产品， 目前是该领域的先锋。德国c o t e n 公司出品的现场照相扫描测量系统c o g n i f e n s o p t i g o2 0 0 和c o g n i f e n so p t i c e l l ，该系统量测速度为每幅照片1 毫秒，是目前世界 上唯二能够在震动环境如冲压车间等制造现场使用的非接触式测量系统。德国 s t e i n b i c h l e r 公司c o m e t - 4 0 0 激光三维扫描仪照相测量系统能够一次拍照测量，可以 对车身整车模型、模具、零件等复杂曲而的快速三维扫描，精度达到o 0 2 m m 。德国 g o m 公司出品的光栅照相式扫描系统【3 6 1 ，是目前中国市场上比较常见的光学扫描系 统，主要用于复杂曲而的扫描，其精度可以达到0 0 0 5 o 0 2 r a m ，而且速度达到 1 , 3 0 0 ，0 0 0 点7 s ，该系统的测量头如图1 1 所示。 1 3 3 国内编码结构光测量的研究应用现状 国内有许多高校及科研机构在此方面有深入的研究，如浙江大学、清华大学、华 中科技大学、天津大学、西安交通大学、西北工业大学、北京航空航天大学等，也取 得很多可喜的成果，浙江大学彩色结构光三维成像技术以颜色作为物体三维信息的加 载和传递工具，以彩色c c d 摄像机作为图像获取器件，通过计算机软件处理，对颜 色信息进行分析、解码，最终获取物体的三维面形数据。 华中科技大学快速成型中心研制的h r e 系列三维激光扫描系统，如图1 2 所示。 5 l 绪论 图l - 1 德国g o m 公司的产品a t o s f i g 1 - 1t h ep r o d u c t i o na t o so f t h ec o m p a n yg e r m a n y 黑龙江省科学院研究了一种运用空间相移精编码法和亚象素参数精标定法对三 维物体表面进行自动测量的技术系统。 目前的商品化三维激光扫描系统包括青岛海信；深圳特得维；深圳鑫磊；深圳怡 信三维科技有限公司生产的l s h 系列3 d 复合型激光扫描仪如图1 3 所示，精度可达 到o 0 5 m m 3 7 1 。 上海数造科技有限公司设计的3 d s s 便携式三维照相测量仪1 3 8 】如图1 4 所示，其 采用结构光编码技术获得三维数据信息，可随意搬至工件位置做现场测量，并可调节 成任意角度作全方位测量，对大型工件可分块测量，测量数据可实时自动拼合，非常 适合各种大小和形状物体( 如汽车，摩托车外壳及内饰，家电，雕塑等) 的测量。 图1 2 h r e 三维扫描系统 f i g i - 23 ds e n s i n gs y s t e mo f h r e 6 图1 3l s h 三维扫描系统 f i g 1 - 33 ds e n s i n gs y s t e mo fl s h 天津科技大学硕士学位论文 图1 - 43 d s s 三维扫描系统 f 追1 - 43 ds e n s i n gs y s t e mo f 3 d s s 综上所述，虽然已经出现商品化的编码结构光三维扫描系统，但是编码结构光三 维测量系统的设计要根据具体的应用情况，包括被测对象、工作环境、测量精度、系 统成本等因素具体而定，目前还没有通用的测量系统有些关键技术问题仍需进行研 究，以期扩展编码结构光三维测量系统的应用领域。因此，针对目前市场上高价位的 扫描系统，本文的目的是研发一台低成本且具有较高性价比的三维扫描实验系统，并 研究解决其应用中的关键技术问题。 1 4 本文的主要研究内容 ( 1 ) 通过分析研究编码结构光的原理及特点，研究采用编码结构光实现快速物体三维 表面轮廓测量的关键技术。 ( 2 ) 根据实际测量需要，采用一台普通商业多媒体投影仪和一台工业摄像机，研发低 成本且具有较高性能价格比的编码结构光三维测量系统。 ( 3 ) 针对该系统的结构特点，将摄像机标定与投影仪结合起来，研究一种简便实用的 系统标定方法。 ( 4 ) 完成测量系统软件各功能模块的研发。 ( 5 ) 系统的实际测量应用及误差分析。 1 5 本文的结构安排 本文共分为六章。 本文第一章阐述了产品逆向造型技术中三维非接触测量的方法；介绍了编码结构 光三维测量中编码方法以及国内外的研究现状与应用，选择适合本课题实际需要的三 维测量方式。 第二章介绍本课题测量系统的测量原理、硬件选择及其所涉及的关键技术。 第三章详细地介绍了测量系统的标定方法的原理，为测量系统的设计与研制奠定 7 二一。三兰坠垒一 了坚实的理论基础。 第四章介绍了编码结构光三维测量系统的软件部分，设计并编程实现了软件系统 的各个功能模块。 第五章通过试验验证了本文所提标定方法的正确性与有效性，通过测量标准实体 计算了系统的精度。 第六章对本文所做的工作进行总结，指出本文的创新点，并对本课题今后还需要 进一步研究的内容进行展望。 8 天津科技大学硕士学位论文 2 编码结构光测量系统的原理及关键技术 基于编码结构光三维测量法相对于其它非接触式测量方法具有精度高、抗干扰性 好、可控性强、系统结构简单等优点，是一种高性价比的三维测量方法。 在本章中，将详细介绍本文研发的编码结构光三维测量系统硬件设备的选择、编 码结构光的测量原理及其所涉及的关键技术。 2 1 测量系统简介 编码结构光测量系统主要由投影仪、摄像机、目标物体和计算机组成【3 1 1 。原理如 下：首先投影仪将编码图像投射到物体上，经过物体形状的调制，再由摄像机摄取变 形的图案，它带有物体表面的三维信息，最后将摄取的图像输入计算机并进行处理， 获得被测物体的三维信息，实现物体的三维测量。本文研发的系统如图2 1 所示： 图2 - 1 测量实验系统样机 f i g 2 - 1t h ep i c t u r eo ft h er e a lm e a s u r e m e n ts y s t e m 硬件系统的选择： 虽然编码结构光三维测量法相对于其它非接触式测量方法具有诸多优势，但高精 度的测量系统对硬件的要求也比较高，如高分辨率的c c d 摄像机，即高端工业用相 机。对于投影仪，也往往需要到厂家定制专门用于三维测量的投影系统，成本高。因 此，其推广应用具有较大的局限性。本文的目标是利用低成本的普通型商用投影仪与 工业用摄像机，研发一种精度适中，性价比较高的编码结构光三维测量系统。 摄像机的选择： 目前，图像获取主要有两种实现方式，即使用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e 一电荷 9 2 编码结构光测量系统的原理及关键技术 耦合器件) 图像传感器和c m o s ( c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r 互补金 属氧化物半导体) 图像传感器【3 9 卜【4 1 1 。两者都是利用感光二极管( p h o t o d i o d e ) 进行光电 转换，将模拟视频图像转换为数字图像，而其主要差异是数据传送的方式不同。由于 数据传送方式不同，因此c c d 与c m o s 传感器在效能与应用上也有诸多差异，这 些差异包括i t s 】： ( 1 ) 灵敏度。由于c m o s 传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成 ( 含放大器与a d 转换电路) ，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积， 因此在象素尺寸相同的情况下，c m o s 传感器的灵敏度要低于c c d 传感器； ( 2 ) 噪声差异。由于c m o s 传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放 大器属于模拟电路，很难使每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大 器放在芯片边缘的c c d 传感器相比，c m o s 传感器的噪声就会增加很多，影响图像 品质； ( 3 ) 驱动脉冲电路。c m o s 芯片内部集成了驱动电路，大大简化了硬件设计，同 时也降低了系统功耗； ( 4 ) 集成度。c m o s 图像传感器可将光敏元件、图像信号放大器、信号读取电路、 模数转换器、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片上； ( 5 ) 价格。随着集成电路的发展，c m o s 传感器的价格已经低于c c d 传感器的价 格。 从目前来看，低端应用应选择c c d 传感器，其具有更高的性价比；在高端应用 上，高端c m o s 传感器在同等价格的前提下，在各个方面都可以超过c c d 传感器的 效果，同时由于c m o s 传感器的制造工艺的特点，各个相关电路均可与传感器集成在 同一芯片上，电路的稳定性高于c c d 传感器组成的电路。 在相同的分辨率的情况下，c c d 摄像机的价格远远高于c m o s 摄像机，因此， 本系统采用的是由北京大恒图像有限公司生产的d h h v 3 1 0 0 f c 数字c m o s 摄像机， 其最高分辨率为2 0 4 8 1 0 2 4 ，镜头为m 1 2 1 4 m p ，由日本c o m p u t a r 精工制造，焦距 为12 m m 4 2 1 4 4 1 。 投影仪的选择： 在测量系统中，投影的结构光质量对测量精度有着直接的影响【4 5 1 4 6 1 。对于投影仪 的选择，必须要考虑投光的均匀性，本文选用s o n y 公司生产的v p l c x 8 0 型号的普 通商用多媒体投影仪。它是单镜头投影系统，镜头焦距是1 8 5 m m , 2 3 5 m m 的变焦镜 头，分辨率为1 0 2 4 x7 6 8 ，投影距离2 4 3 4 米，性价比高。 2 2 系统的测量原理 研究采用一种较好的测量方法可弥补系统硬件的不足，对提高整个系统的测量精 度起到至关重要的作用。为此，本文选择了基于时间多路编码策略的结构光测量方法。 这种编码策略在三维扫描中具有较高的扫描精度，而且该方法使用较少种类的色彩或 l o 天津科技大学硕士学位论文 者较少级别的灰度值，能够较准确的区分不同的色彩或者灰度级别，而且每个点的位 置能够用精确的编码表示。时间多路编码策略的另外一个优点就是能够达到较大的扫 描密度。本文采用的格雷码加相移码方法可以达到较高的精度，且测量速度远远高于 线结构光测量。 2 2 1 编码原理 。 格雷码加相移码法，i i p ( c r r a yc o d em e t h o d + p h a s es h i f t i n gm e t h o d ) ，它是时间编 码法的一种。所谓的格雷码( o r a yc o d e ) 是1 8 8 0 年由法国工程师b a u d o tjme 发明的， g r a yf 于1 9 5 3 年申请专利“p u l s ec o d ec o m m u n i c a t i o n 而得名【3 1 1 。格雷码的编码特 点是相邻码字间的h a m m i n g 距离均是1 。如：0 0 0 ，0 0 1 ，0 1 1 ，0 1 0 ，1 1 0 ，1 1 1 ，1 0 1 ， 1 0 0 便是一组格雷码。任意两个相邻码字之间的不同位的数目称为h a m m i n g 距离。如 0 0 1 ，0 1 1 这两个相邻的码字，就中间一位不同，其它两位相同，故它们的h a m m i n g 距离为1 。格雷码大大减少了由一个状态到下一个状态时的瞬间模糊状态，提高了抗 干扰能力。所以格雷码是一种错误最小化的编码。典型的格雷码是一种具有反射特性 和循环特性的单步自补码，反射特性是指将格雷码组对半折叠，除最高位上下两部分 不同，折叠处如同一个镜面。循环特性是指最后一个码组与第一个码组的h a m m i n g 距离也为1 ，是相邻码组。本文所用的格雷码投影图案如图2 2 所示。表2 1 显示了 以图2 - 2 为例的格雷码编码的方法。 图2 2 格雷码示意图 f i s 2 - 2t h eg r a yc o d ei m a g e 图2 3 初始状态下的相移码图 f i g 2 - 3t h eo r i g i n a ls h i r i n gp h a s ec o d ei m a g e 1 -lii 一iil l 2 编码结构光测量系统的原理及关键技术 以表2 一l 第五行的最后两列为例，它们所对应的图2 2 中图像的编码为1 0 0 0 1 与 1 0 0 0 0 ，其他部分的编码可以用同样的方法表示。 相移码( p h a s es h i r i n gc o d e ) 图案比较简单，就是宽度为w 个象素的黑白条纹相间 铺满整个投影图案，每次投影后将投影图案向右平移一个象素，作为下一幅投影图案， 当做了2 w 次平移后投影图案回复初始状态，投影结束。需要解决的问题就是w 究竟 该取多大值。假设格雷码的编码位数为疗，投影图案的条纹宽度为1 0 2 4 2 一= 2 m 叫个 象素，因此，格雷码可以精确标定2 疗个条纹，每个条纹的宽度为2 1 0 一。而宽度为w 的 相移码一个周期的扫描会产生周期性，出现宽度为2 w 二义性扫描区域，这些扫描区 域需要用格雷码精确定位，因此存在等式2 w = 2 1 0 一，即w = 2 阳叫。图2 3 为宽度w = 1 6 个p i x e l 的相移码初始状态编码图。对于如何消除相移码周期的二义性，将在第4 章 中详细介绍。 2 2 2 编码结构光的测量原理 编码结构光的测量原理同样也是基于三角测量法【4 7 卜【4 9 】。测量前，首先要对系统 进行标定，建立系统的测量模型 s o l 5 。通过定标，得到摄像机的焦距磊，投影仪的 焦距厶，摄像机参考坐标系到投影仪参考坐标系的旋转矩阵r ，转移矩阵z ，具体的 系统标定将在第3 章中详细叙述。 假设空间点m 在摄像机参考坐标系中的坐标为坼，在投影仪参考坐标系中的坐 标