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相位辅助光学三维测量系统的标定方法 相位辅助光学三维测量系统的标定方法 Calibration Technique for Phase-Aided Optical 3D Measurement Systems 一级学科仪器科学与技术学科专业仪器科学与技术作者姓名 殷永凯 指导教师 彭翔 教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零一二年五月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 天津大学 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: 签字日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 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: 导师签名:签字日期:年 月 日 签字日期:年 月 日中文摘要 相位辅助光学三维测量技术具有测量精度高、数据密度大、测量速度快、系统结构简单、普适性和灵活性好等优点,是基于结构照明的光学三维测量中极具代表性的一类方法,在工业制造、测绘导航、文化遗产、医学诊疗、影视娱乐等各个领域有着日趋广泛的应用。 本论文主要针对相位辅助光学三维测量系统的标定方法及其相关技术展开研究,旨在提高测量系统的标定精度,寻找可行性更高的现场标定方法。在概括介绍相位辅助光学三维测量的基本原理、国内外研究现状、发展趋势以及关键技术的基础上,论文重点对决定系统标定精度的两个要素?基准点的图像坐标和基准点的三维坐标进行了分析研究。 圆形标志点是标定所用基准点的常见形态,为了准确地获得圆形标志点图像的中心坐标,基于余误差函数的椭圆旋转变换对圆形标志点图像邻域的灰度分布进行曲面建模,实现了基于曲面拟合的亚像素精度的中心定位。模拟和实际的实验均证明,该方法对图像中的噪声表现出了较好的鲁棒性。讨论了由于透视投影的非对称性导致的中心定位偏差,结合 Chen 的基于圆的相机标定技术以及Heikkil?的偏差模型来对上述中心定位偏差进行了修正。 单目的“相机-投影仪”结构是基于相位辅助光学三维测量技术的三维传感器的常见配置。针对单目三维传感器标定所常用的平面标靶,设计了一种基于位置关系不变性实现基准点自动编码的平面标靶图案,用于方便地对传感器进行标定。考虑到投影仪和相机在模型上的等价性,将光束平差原理引入单目三维传感器的标定中,从根本上减小了由于基准点三维坐标的不确定度所引入的系统误差。实验证明该方法可以利用制作精度较低的标靶实现较高精度的标定。 在测量拓扑复杂、尺度较大的物体时,一个可行性较高的方案是利用多个双目传感器构成多节点三维测量网来进行测量。通过对已有文献的分析可知,三维标靶是昀适用于测量网标定的标靶。为此,首先以编码标志点为基准点来构造自适应测量空间的三维标靶,然后运用欧氏重建和光束平差技术精确重建基准点的三维坐标,昀后利用重构后的标靶方便地进行多节点三维测量网的标定。对上述过程中的标靶重建精度和系统标定精度进行了小尺度下的实验验证。将上述测量网的标定方法应用于一个工程案例,对某石英陶瓷坩埚自动检测系统中的三节点测量网进行了实际标定。关键词:光学三维测量,标定,中心定位,光束平差,测量网,相位辅助 ABSTRACT Phase-aided optical three-dimensional 3D measurement PAOM-3D has the advantages of high accuracy, high density, rapid measurement, simple structure, good universality and flexibility. The PAOM-3D is the most representative method among optical 3D measurement techniques using structural illumination, and it has increasingly extensive applications in various fields including industrial manufacturing, surveying & navigation, cultural heritage, medicine clinics, entertainment, and so onThe calibration methodology and related techniques of the PAOM-3D system are studied in this dissertation, which aims to improve the accuracy of system calibration and find more feasible in situ calibration approach. After briefly introducing the working principle, research status, development trend and key techniques of the PAOM-3D, this dissertation pays more attention to the image coordinate and the 3D coordinate of the benchmark, which are two essentials determining the accuracy of system calibrationCircular landmark is the commonly used benchmark in the calibration. In order to obtain the image coordinate of the circular landmark center, the gray level distribution around the circular landmark image is modeled with the surface created by elliptic rotation of the complementary error function, and then the center can be located with sub-pixel accuracy using surface fitting algorithm. Experiment results for both simulated and practical images demonstrate that the proposed method shows good robustness against the image noise. The eccentricity error of center location algorithm caused by the asymmetric perspective projection is discussed, and this eccentricity error is corrected with the combination of Chens camera calibration based on circles and Heikkil?s formulation for the eccentricity errorMonocular “Camera-Projector” structure is the common setup for 3D sensor based on the PAOM-3D technique. Since planar target is commonly used in the calibration of the monocular 3D sensor, a planar calibration target pattern, which can achieve auto-coding for benchmarks by using positional relationship invariance, is designed for conveniently calibrating the 3D sensor. Taking into account the equivalence on the modeling for projector and camera, the principle of bundle adjustment is introduced into the process of calibrating the monocular 3D sensor, which can effectively reduce the system calibration error arising from the inaccurate 3D coordinates of the benchmarks. Experiment results show that the proposed method can reach relatively high calibration accuracy while utilizing calibration target with low manufacture precisionWhen measuring objects of large scale and complex topology, a more feasible scheme is to build up a multi-node optical 3D measurement network consisting of multiple binocular 3D sensors. An analysis of previous literature shows that the 3D calibration target is the most suitable one for measurement network calibrationTherefore, the coded landmarks which are taken as benchmarks are used to build the 3D calibration target that is self-adaptive to the measurement volume, then the Euclidean reconstruction and bundle adjustment are employed to reconstruct the 3D coordinates of benchmarks accurately. Finally the multi-node 3D measurement network can be calibrated conveniently with the reconstructed target. The accuracy of target reconstruction and system calibration are well evaluated in the experiments on a reduced scale. The proposed approach of measurement network calibration is applied to an engineering case study, in which a three-node measurement network to inspect the silica ceramic crucible automatically was successfully calibrated Key words: optical three-dimensional 3D measurement, calibration, center location, bundle adjustment, measurement network, phase-aided 目 录 第一章 绪论 1?1.1 光学三维测量简介1?1.1.1 典型技术. 1?1.1.2 应用领域. 8?1.2 相位辅助光学三维测量. 11?1.2.1 结构光编码与相位编码11?1.2.2 工作原理13?1.2.3 系统标定14?1.2.4 国内外研究现状与发展趋势 16?1.3 本论文的研究背景及主要创新点 18?1.3.1 课题来源18?1.3.2 主要研究内容和创新点18?第二章 相位辅助光学三维测量系统的基本原理. 21?2.1 双目三维传感器. 21?2.1.1 相机模型21?2.1.2 双目传感器模型24?2.1.3 双目传感器标定25?2.1.4 影响标定精度的因素分析. 26?2.2 单视点深度像27?2.2.1 相位重建27?2.2.2 对应点搜索. 30?2.3 深度数据的后处理 31?2.3.1 深度像匹配. 31?2.3.2 深度像融合. 33?2.3.3 几何模型简化 34?2.4 本章小结. 35?第三章 圆形标志点的中心定位36?3.1 标志点的自动识别 36?3.1.1 边缘检测36?3.1.2 目标识别37?3.2 基于曲面拟合的亚像素中心定位 38 3.2.1 算法原理39?3.2.2 参数估计41?3.2.3 实验结果42?3.3 中心定位投影偏差的分析和修正 47?3.3.1 中心定位偏差分析. 48?3.3.2 中心定位偏差修正. 50?3.4 本章小结. 56?第四章 单目三维传感器的标定58?4.1 单目传感器标定的基本论述58?4.1.1 单目传感器系统模型 58?4.1.2 单目传感器标定的基本原理 60?4.2 标靶图案设计61?4.3 基于光束平差的单目传感器标定 64?4.3.1 基本原理64?4.3.2 算法分析65?4.3.3 实验结果67?4.4 本章小结. 71?第五章 多节点三维测量网的标定. 73?5.1 多节点三维测量网标定的一般论述73?5.1.1 多节点三维测量网模型73?5.1.2 多节点三维测量网标定的基本原理 74?5.1.3 测量网标定的研究现状75?5.2 编码标志点的设计与解码 75?5.2.1 编码标志点的设计. 76?5.2.2 编码标志点的解码. 78?5.3 基于自适应标靶的三维测量网标定79?5.3.1 自适应标靶的构造. 79?5.3.2 三维测量网的标定. 84?5.4 测量网标定的实验验证. 84?5.4.1 标靶重构实验 84?5.4.2 测量网标定实验87?5.5 本章小结. 88?第六章 三维测量网应用案例研究?石英陶瓷坩埚自动检测. 90?6.1 自动检测的需求. 90 6.2 检测系统方案设计 91?6.3 三维数据采集93?6.3.1 系统标定93?6.3.2 深度像采集. 96?6.4 三维数据后处理. 96?6.4.1 深度像匹配. 97?6.4.2 几何特征检测 98?6.4.3 生成报表 100?6.5 本章小结101?第七章 总结与展望103?7.1 全文总结103?7.2 工作展望104?参考文献106?附 录 128?A. 椭圆方程及其性质 128?B. 昀小二乘问题129?B.1 线性昀小二乘问题130?B.2 非线性昀小二乘问题. 130?C. 由本质矩阵求解相机外参 133?发表论文和参加科研情况说明136?致 谢 138第一章 绪论 第一章绪论 1随着先进制造技术的发展和产品需求的多样化,对复杂结构和自由曲面的测量需求不断增长,传统的针对经典几何量如长度、角度、直线度、平面度等的测量手段,在应对复杂的测量任务时,其局限性日益凸显。由于真实世界中的物体均以三维几何实体的形式存在,当简单几何量的测量无法满足特定的测量需求时,对复杂结构和自由曲面的测量昀终将归结于对物体的三维测量。在现实需求的强力推动下,三维测量技术取得了长足的进展,在制造、医疗、文化等领域得到了日益广泛的应用。 根据测量方式的不同,现有的三维测量技术可以分为接触式(Contact)和非接触式(Non-contact)两大类。与接触式测量相比,非接触式测量在测量过程中无需与物体表面进行接触,因此具有更宽广的适用范围和更大的测量灵活性。非接触式测量中昀具有代表性的技术当属光学三维测量技术。 1.1 光学三维测量简介 光学三维测量以光学传感为主要的信息获取方式,以计算机图形图像处理为主要的信息处理手段,是一门涉及光电技术、计算机技术、信息处理技术的新兴交叉学科。近年来,随着相关技术的发展,针对光学三维测量的研究呈现出百花1-3齐放的繁荣景象,已有的方法不断改善,新的方法时有提出 ,许多相对成熟的技术早已离开实验室转向商品化,并在不同领域得到了广泛的应用。良好的应用效果使人们对光学三维测量的认同度和依赖性日渐提高,反过来刺激了光学三维测量技术的进一步发展。 1.1.1 典型技术 光学三维测量的具体实现技术种类繁多,原理各异,在此仅介绍几种宏观尺度下的典型技术及其代表性的商品化系统。 1.1.1.1 飞行时间法 飞行时间法(Time-of-flight, TOF)通过检测光在探测器与目标之间往返传播4的时间,结合空气中的光速来计算目标与探测器之间的距离 ,其工作原理与雷达相似,因此也被称为光雷达(Light Detection and Ranging, LiDAR)。飞行时间5-8 9-13法在应用中有几种不同的实现机制:脉冲计时法 、相移探测法 和距离选通14-16法 。脉冲计时法向目标发射时间极短的激光脉冲并探测反射回来的脉冲信1 第一章 绪论 号,通过计时电路直接测量光脉冲往返的时间并计算距离,如图 1-1a所示。相移探测法利用射频载波对连续的发射光波进行振幅或频率调制,通过测量反射光波中载波的相移并结合已知的载波信号频率来计算距离,如图 1-1b所示。距离选通法利用一个选通频率与光脉冲的发射频率相同的电子快门来控制探测器,距离不同将导致光脉冲返回的时间不同,从而会有部分脉冲能量被快门阻隔而无法被探测器接收,此时通过接收到的光能量与整个光脉冲能量的比值即可求得距离,如图 1-1c所示。 a 脉冲计时法 b 相移探测法 c 距离选通法 图1-1 TOF的几种工作机制 由于 TOF 测距仪每次只能测量一个空间点,因此在较大尺度的测量中,通常需要将 TOF 测距仪与扫描系统结合以实现对一定空间角范围内乃至全场的三维测量。代表性的商品化系统如图 1-2所示,包括 Zoller+Fr?hlich公司的 IMAGER 3D5010、 Leica公司的 ScanStation 2、 FARO公司的 Focus 和 RIEGL公司的 VZ-4000等,其测距精度均为 mm量级,扫描速度均不低于 100 000 pts/sec 其中扫描速度昀快的 IMAGER 5010 可达 1 016 000 pts/sec。3Da IMAGER 5010b ScanStation 2 b Focus c VZ-4000 图1-2 TOF激光扫描仪 近年来,随着半导体制作工艺的发展,已经可以将 TOF 测距所需的探测、17-19计时和信息处理电路集成于一片 CMOS/CCD 芯片中 。芯片中的每个像素都相当于一个独立的 TOF 距离探测器,因此无需扫描即可同时获得对应于所有像素的距离信息,形成一幅深度像。这种阵列集成的非扫描 TOF 深度像采集装置被称为 TOF 相机,代表性的商品化系统包括 MESA Imaging 公司的 SR4000、PMDTechnologies公司的 PMDvision CamCube 3.0以及 Fotonic公司的 D40等,如图 1-3所示。TOF相机的精度相对较低,一般在 cm量级,优点在于无需扫描,深度像采集的帧速率较高。 2 第一章 绪论 a SR4000b CamCube 3.0 c D40 图1-3 TOF相机 1.1.1.2 近景摄影测量 近景摄影测量(Close Range Photogrammetry)通过对目标图像的记录、处理和计算来确定目标的几何信息,是传统摄影测量在近景范围(通常限定为小于20-22100m)内的应用 。近景摄影测量的基本原理是视线交汇,从至少 2 个不同的位置拍摄目标的图像,每个位置均可以引出从相机到目标上兴趣点的视线(Lines of Sight) ,对应于同一兴趣点的视线在空间中相交,数学上求解交点即可获得兴趣点的三维坐标,如图 1-4 所示。图中同时展示了近景摄影测量的几个基本要素:图像坐标、相机内外参和畸变、附加观测带来的约束条件、三维坐标。在物理上,上述要素由视线关联,在数学上,光束平差算法提供了求解三维坐标时实现误差昀小化和均衡化的解决方案。 近景摄影测量按应用领域可以分为工业应用和非工业应用。图 1-4 近景摄影测量的工作原理和基本要素 在工业应用中,为达到较高的测量精度,测量的主要对象是投影或粘附在物体表面的人工标志点。亚像素定位技术使得标志点的图像定位精度可达 1/50 pixel,为高精度测量提供了基本保障。离线(Off-line)近景摄影测量的相对精23度的典型值通常在 1:100 000 到 1:200 000 之间 ,针对特定的测量任务专门对24测量网进行优化后,测量的相对精度甚至可以达到 1:1 000 000 。高速相机和摄像机的出现,使得图像的采集可以动态和实时地进行;计算机硬件包括 DSP、3 第一章 绪论 FPGA等小型处理器的快速发展,以及各种高效的图像处理和分析运算方法的大量涌现,使得数据处理可以实时、准实时地实现。实时的图像采集和数据处理结合已标定的双相机或多相机系统构成了可以进行瞬态或实时测量的在线23, 25(On-line)近景摄影测量系统 。随着近景摄影测量应用的普及,使用者对系统鲁棒性和易用性的要求越来越高,自动化成为近景摄影测量的重要发展趋势26-28。智能相机、回光反射标志点、编码标志点的使用,从器件上保证了自动化;29特征点自动提取和和匹配、极线约束、鲁棒估计等方法的应用 ,从算法上保证了自动化。工业近景摄影测量的代表性产品包括 Geodetic Systems 公司的V-STARS 系统、AICON公司的 DPA系统、GOM 公司的 TRITOP系统等,如图1-5 所示。a V-STARS b DPAc TRITOP 图 1-5 工业近景摄影测量系统 在非工业应用中,近景摄影测量重建的主要对象是直接从图像中提取的特征点,但在必要时仍辅以人工标志点。首先从图像中提取特征点作为候选点,然后根据特征点的相关性和相机内外参的约束从候选点中确立对应点,昀后利用光束30, 31平差技术精确重建特征点的三维坐标 。非工业近景摄影测量的代表性商业系统包括 Photometrix Pty Ltd 公司的 iWitness 系统和 Eos Systems 公司的PhotoModeler 系统,如图 1-6 a、b所示。应当注意到,上述非工业近景摄影测量的流程与计算机视觉中的运动恢复结构(Strucutre from Motion, SFM)十分具有相关性,二者所涉及的核心技术如出一辙,包括特征点提取、对应点匹配、光32 33-35束平差等 。SFM 技术同样能够通过图像重建三维场景 ,因此这里将 SFM技术的代表性产品?微软公司的 Photosynth 系统视为非工业近景摄影测量的一种,如图 1-6 c所示。a iWitness b PhotoModelerc Photosynth 图 1-6 非工业近景摄影测量系统 4 第一章 绪论 1.1.1.3 激光三角法 基于三角法(Triangulation)进行测距是一种古老的方法,早在公元前便已经被希腊人应用于航海和天文中。上个世纪七八十年代以来,随着激光光源和其他光电器件的发展,基于激光三角法的三维测量开始逐渐得到应用。激光三角法36的基本原理如图 1-7所示 :由激光器发射的激光束经准直后照射到目标表面形成一个光点,光点经过成像透镜成像后被一个距离敏感的探测器(如 CCD)接收。目标的距离不同,光点在探测器上的成像位置随之改变。若激光束相对于探测器的位置和方向已知,即可由三角法计算目标光点的三维坐标。为获得较大的景深,准直光束、成像透镜、探测器平面三者之间的相对位置关系应满足37Scheimpflug条件 。图 1-7 激光三角法的基本原理 激光三角法常用的激光形态有点激光和线激光。点激光测量能够根据测量范围优化探测器尺寸,从而可以充分利用探测器的分辨能力,达到较高的精度和分辨率。另外,点激光在扫描过程中能逐点调节和控制激光增益以改善信噪比,这38对金属和反光表面的测量具有重要意义 。然而,点激光测量表面形貌时往往需要复杂的扫描装置,不利于成本降低和产品推广。比较而言,基于线激光的三角法一次测量即可获得一条轮廓线,对扫描装置的要求大大降低,在实际中得到39-42了更广泛的应用 。为获得完整的表面形貌,使用激光三角法进行测量时必须43进行扫描。根据扫描原理的不同,激光三角法常用的扫描方式可以分为两类 :主动式和被动式。主动式扫描时,传感器与被测目标的位置相对固定,通过控制44, 45光路来改变激光的出射方向实现扫描 ,如图 1-8a、b所示;被动扫描时,传感器内部结构光与探测器的相对位置保持固定,通过改变传感器与目标的相对46-48位置实现扫描 ,如图 1-8c、d所示。 5 第一章 绪论 a b cd 图 1-8 不同的扫描方式:a-b主动式扫描;c-d被动式扫描 激光三角法的商业化产品有很多,图 1-9展示了几种比较具有代表性的系统:Konica Minolta Sensing公司的 VIVID 9i,典型的主动式扫描系统;Creaform 公司的 scan,手持式扫描仪的代表;Cyberware 公司的 Model WBX,专门用于人体的彩色三维数字化;Nikon(Nikon Metrology)公司的 XC65Dx,典型的被动式扫描系统。a VIVID 9i b scanc Model WBX d XC65Dx 图 1-9 基于三角法的三维激光扫描仪 1.1.1.4 结构照明法 基于结构照明的三维测量系统通常由结构光发生器和相机构成,其基本工作49原理如图 1-10 所示 :由结构光发生器产生的结构光(图中的周期性彩色条纹)照射目标表面时,目标表面的高低起伏(表面形貌)会对结构光进行调制,使结构光的图案产生与之相关的变形,换句话说,结构光对目标表面形貌进行了编码;此时用相机采集调制变形后的结构光图案,对变形图案进行分析并执行相应的三维重构算法,即可实现对目标表面形貌的三维测量。图 1-10 基于结构照明的三维测量系统示意图 50-52 53-55结构光的产生机理多种多样,包括相干光干涉 、相干光衍射 、光栅6 第一章 绪论 56-59 60-64投影 、数字投影 等,如图 1-11 所示。其中,数字投影设备,尤其是商用数字投影仪的出现和普及,使研究者可以方便地通过计算机控制产生各种黑白或彩色的结构光,大大推动了基于结构照明的三维测量系统的发展。 a 干涉 b 衍射c 光栅投影 d 数字投影 图 1-11 不同的结构光产生机理 基于结构照明的三维测量系统结构简单,配置灵活性高,另外可以根据测量的需要选择特定的结构光编码方案,具有较好的针对性。一方面,针对高端应用,可以选择高精度的结构光编码方案和高端相机,实现高精度的三维测量;另一方面,针对低端应用,可以选择相对简单的结构光编码方案和低端相机,实现低成本的三维测量。因此,基于结构照明的三维测量技术在日常消费领域和专业检测领域均有广泛应用。几种适用于不同领域的商品化系统如图 1-12 所示:微软公65司的体感游戏设备 Kinect,采用了 PrimeSensor 公司的 Light Coding技术 ,可以实时获取人体的深度像;Breuckmann 公司的 faceSCAN 能快速实现人脸的三维数字化,多应用于影视游戏中;GOM 公司的 ATOS Triple Scan能够实现高精度的三维测量,适用于对精度要求较高的工业制造领域。 a Kinect b faceSCANc ATOS Triple Scan 图 1-12 结构照明的三维测量商品化系统 7 第一章 绪论 1.1.2 应用领域 随着光学三维测量理论和方法的发展,各种光学三维测量的技术和产品不断涌现,在关系着国计民生的诸多领域有着日趋广泛的应用。 1.1.2.1 工业制造 光学三维测量已经成为现代化工业制造中不可或缺的一个重要环节。通过对66物体的光学三维形貌测量,可以准确获得物体的几何形貌信息,为先进制造 、67自动装配 、表面检测等提供有效的指导。将物体的三维数据与 CAD模型或已68有数据进行对比,可检测出物体的形变,为质量控制 、应力分析、碰撞测试等提供更加完整和更容易理解的可视化分析手段。 现代工业设计中,随着功能多样化和产品精细化的发展,个性化的设计需求越来越多,一次设计往往无法满足要求,需要进行样品模型产品的多次反复设计。逆向工程就是从已有的产品出发,反向获取产品的设计数据(包括设计图纸或数字模型),并用于对产品的进一步的设计和改进。光学三维测量技术能够快速得到产品的三维数据,极大地缩短产品的设计周期,成为逆向工程设计的关69-73键环节 。图 1-13 给出了光学三维测量技术在现代工业制造中的几个应用实例。a 先进制造 b 质量控制c 逆向工程 图 1-13 光学三维测量的应用领域?工业制造 (图片来源于 GOM 公司:/0.) 1.1.2.2 测绘导航 与传统的遥感测绘技术相比,光学三维测量技术能够对复杂场景进行更加细腻而准确的三维重建。例如,激光雷达(LIDAR)能够以扫描的方式快速乃至实74, 75时的获取场景的深度像 ,近景摄影测量技术能够从一段视频或一组自由拍76, 77摄的照片中重构三维场景 ,将激光雷达获取的深度像和照片中的纹理色彩78-80信息相融合,可以生成具有照片真实感的城市模型 ,如图 1-14 所示。基于光学三维测量的城市建模与地理信息系统(geographic information systems, GIS)相结合,在城市发展规划、公共设施部署、商业市场调研等方面均具有广阔的应8 第一章 绪论 81, 82用前景 。a LIDAR 获取的场景深度像 b 由照片重构的三维场景c 照片真实感模型 图 1-14 光学三维测量的应用领域?城市建模 光学三维测量技术能够准确的获取自然真实环境的三维信息,使得对环境的描述和建模不再拘泥于栅格图、线画图、拓扑图等传统形式,而体现为信息蕴含83量更丰富的高程网格、三维点云、三维网格等新形式 ,为复杂环境下的路径规划、语义描述等提供了坚实的基础,有力地推动了移动机器人自主导航技术的84-86发展 。 1.1.2.3 文化遗产 结合光学三维测量、高分辨率光电成像、计算机三维几何造型等技术,能够高效地获取文物古迹的三维信息、纹理信息、文字信息,并进行多数据源自动融合、真实感模型重建、数据管理与网络共享,对文物古迹的建档、保存、鉴别、展示、检索、修复、复制等均具有十分重要的意义。近年来,基于光学三维测量87-96技术的文物古迹三维数字化一直是全球瞩目的研究焦点 ,具有代表性的例子包括美国和意大利合作的“数字米开朗基罗(The Digital Michelangelo Project)97计划” 、欧共体的“虚拟文化遗产(Virtual Heritage: High-Quality 3D Acquisition and Presentation) ”计划、意大利的“罗马复兴计划(The Rome Reborn Project)”98 99、中国的“数字敦煌”计划 、日本的“大佛计划(The great buddha project)”100等。文物古迹三维数字化的一些典型结果如图 1-15 所示。 a 佛罗伦萨的大卫雕像b 古罗马的石膏模型 c 印度象的骨骼 图 1-15 光学三维测量的应用领域?文化遗产 9 第一章 绪论 1.1.2.4 医学诊疗 光学三维测量技术具有无损伤、非接触的工作特点,不会对测量对象造成侵入式损伤,也不会由于物理接触而改变测量对象的表面形态,因而在医学领域得101到了广泛的应用 。由于光学三维测量技术能够快速而准确地获得大面积的三维形貌,因此特别适用于需要进行人体表面形貌测量的医学领域,包括人体测量102, 103 104、肢体修复 、美容整形等。美国、荷兰和意大利合作完成的“美国和欧洲市民体表人体测量资源库(Civilian American and European Surface 105Anthropometry Resource, CAESAR)”计划 是光学三维测量技术应用于人体三维测量的典型案例。利用光学三维测量技术对牙齿进行三维建模已经成为牙科中106-108的常用手段 ,某些高度集成的小型牙齿三维扫描仪甚至已经能够实现入口109, 110 111式测量 。此外,光学三维测量中的目标定位技术也在手术引导 、步态分析等多个方面得到了应用。 光学三维测量技术在医学的特殊分支?法医学领域也得到了广泛应用112-114。一方面,光学三维测量技术能够进行体表和骨骼的三维形貌测量,可以用于对受害者躯体或遗骸的伤痕检测鉴定;另一方面,光学三维测量技术能够对场景进行三维数字化、对人或物体的运动状态进行动态追踪,可以用于事故或犯罪情景的模拟再现。图 1-16 为光学三维测量技术在医学领域的一些应用实例。a 人体三维数据 b 牙齿三维模型 c 事故情景模拟 图 1-16 光学三维测量的应用领域?医学诊疗 1.1.2.5 影视娱乐 当代影视特效的制作大多采用虚实结合的方式,将真实场景和人物的三维数字模型融入虚拟世界,在电脑中生成各种辉煌绚烂的视觉效果。尤其是在生成一些非常危险或不可能完成的特效镜头时,数字模型的使用有效保证了真人演员的安全。光学三维测量技术以其卓越的真实感三维数字化能力成功地在现实和虚拟115之间搭起了一座桥梁 ,成为影视制作中不可或缺的关键技术之一。另外,在游戏和影视制作中,经常利用基于光学三维测量技术的动作捕捉系统记录演员的肢体动作乃至面部表情,用于控制对应的三维数字模型来产生自如地运动效果。 10 第一章 绪论 近年来,随着人民生活水平的提高和娱乐观念的转变,作为一种更加健康的游戏方式,体感游戏受到了大众的热情追捧。体感游戏突破了以往单纯通过手柄按键进行输入的操作方式,变为通过肢体动作的变化来进行游戏操作,因此要求游戏控制器必须能够获取和分析游戏者的肢体动作。光学三维测量技术具有优秀的动作获取能力和较低的硬件成本,是前景昀为看好的体感游戏控制技术。微软公司推出的体感游戏设备 Kinect 的核心即为一套基于结构照明的实时三维测量系统。a 人脸数字化 b 动作捕捉控制模型运动 c Kinect 体感游戏 图 1-17 光学三维测量的应用领域?影视娱乐 光学三维测量的应用领域还有很多,包括安全认证、生物仿真、虚拟现实、人机交互、电子商务等等。随着人类社会数字化和信息化水平的提高,光学三维测量技术必将在国民经济发展和社会进步中发挥更加重要的作用。 1.2 相位辅助光学三维测量 从工作原理上划分,相位辅助光学三维测量属于结构照明法的范畴,其中相位是一种特定的结构光编码方式。 1.2.1 结构光编码与相位编码 1.2.1.1 结构光编码 基于结构照明的三维测量中,结构光对物体表面进行编码,而物体表面反过来对结构光进行调制,因此昀终相机采集到的结构光图像承载着物体表面形貌的信息,从而可以通过相应的重构算法对图像进行处理来获得物体的三维表面形貌。如何选择或设计合适的结构光编码方案以满足特定的测量需求,如动态测量、高精度测量、反光面测量等, 是基于结构照明的三维测量中昀为活跃的研究方向之一。迄今为止,文献中报道过的结构光编码方案不下数十种,比较具有特色116-118的几种如图 1-18 所示 。 11 第一章 绪论a De Bruijn序列 b RGB 条纹c 棋盘格随机图案 图 1-18 结构光编码 119针对众多的结构光编码方案,学者们提出了不同的分类标准:Davis 等根据编码对应搜索的执行域将结构光分为空域、时域和空时(spacetime)域; Salvi120 49等 根据结构光图案的特性将结构光分为离散编码和连续编码;Geng 根据投射图案的数目将结构光分为序列(多帧,multiple-shot)类和单帧(single-sho