[硕士论文精品]光学三维轮廓术系统标定技术研究

摘要构造物理模拟实验是研究地质构造的一种有效方法，是帮助地质学家认识构造变形过程、研究构造形成机制的重要手段。鉴于光学三维测量技术具有非接触、测量速度较快、精度较高等优点，论文采用了基于光学三维测量技术的相位测量轮廓术来完成实验体顶面变形信息的测量。针对实验体项面变形信息、复杂的特点，对测量系统标定、相位展开、图像特征点提取等关键技术进行了深入的研究，具体工作如下论文在分析了三维面形测量和系统标定国内外现状的基础上，针对实际测量需求，提出了系统标定的总体设计方案，完成了系统硬件选型和调试工作，并对测量流程中图像预处理、相位展开等环节所采用的技术进行了详细说明。实验结果表明该设计方案能较好的恢复标定体的三维轮廓，为系统标定奠定了基础。系统标定分为两部分Z坐标标定和X，Y坐标标定，Z标定用于建立标定体高度和相位差的对应关系，X，Y标定是建立图像像素坐标与标定体世界坐标X，Y的对应关系。文中研究了系统标定的数学模型，借鉴成熟的标定方法和图像处理技术，将采集的模板图像分成边缘和内部分别进行处理、利用数学形态学连通性进行特征标识，实现了图像特征点的提取，具有较好的抗噪能力，达到了亚像素级的特征点提取精度；同时在分析常用隐式标定方法优缺点的基础上，论文提出了一种新的具有较高标定精度和效率的方法基于BP和GRNN函数逼近相结合的三维轮廓术系统标定技术，实验表明，此标定方法具有较高的网络推广精度和学习精度。论文建立了系统结构参数与三维轮廓术系统标定精度的数学模型，仿真研究了投影参数、透镜的畸变效应、CCD的非线性效应及图像采集板的量化效应、相位展开算法对测量精度的影响，在此基础上提出了PMP标定系统设计的基本原则。论文所研究的标定模型基于BP与GRNN函数逼近相结合的隐式标定方法提高了系统标定精度，所提出的基于连通性特征标识提取技术提高了特征点检测的精度和效率，而将模板图像的分部处理具有较好的抗噪能力，达到了亚像素级的特征点检测精度。关键词构造物理模拟实验，三维面形测量，相位测量轮廓术，特征点检测，系统标定HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手STUDYONTHESYSTEMCALIBRATIONTECHNOL093，OFOPTICS3一DPROFILOMETRYYANAIMEISIGNALANDINFORMATIONPROCESSINGDIRECTEDBYPROFESSORSHAHYIXIANANDASSOCIATEPROFESSORRENXUHUABSTRAETTHETECTOPHYSICSSIMULATINGEXPERIMENTISANEFFECTIVEMETHODFORRESEARCHINGGEOLOGICALSTRUCTURE，ASITPLAYSANIMPORTANTROLEINTHERESEARCHOFTHETRANSFORMINGPROGRESSANDFORMINGMECHANISMOFTECTONICDEFORMATIONTHEPHASEMEASUREMENTPROFILOMETRYBASEDONOPTICAL3DMEASUREMENTTECHNOLOGYISADOPTEDTOACCOMPLISHTHEMEASUREMENTOFTOPSURFACEINFORMATION，BECAUSETHEPROFILOMETRYHASADVANTAGESSUCHASNONCONTACTING，QUICKMEASUREMENTANDHI曲ACCURACYETCINALLUSIONTOTHECOMPLEXFEATURESOFTOPSURFACEDEFORMATIONOFTHEEXPERIMENTBLOCK，WEPAYATTENTIONTOKEYTECHNOLOGYSUCHASCORNERDETECTION,SYSTEMCALIBRATIONANDSOONINTHETHESIS，THEFOLLOWINGSTUDIESAREPERFORMEDAFTERANALYZINGTHEBASISOFCURRENTSTUDYSTATUSOF3DSHAPEMEASUREMENTANDSYSTEMCALIBRATION，THETHESISPROPOSESTHETOTALDESIGNSCHEMEOFSYSTEMCALIBRATIONFORTHEREALREQUESTOFMEASUREMENT,THESELECTIONANDDEBUGGINGOFSYSTEMHARDWARE，ANDTHENEXPLAINSTHEIMAGEPREPROCESSINGANDPHASEUNWRAPPINGTECHNOLOGYANDSOONINDETAILTHERESULTSOFTHEEXPERIMENTSHOWTHATTHEDESIGNSCHEMACALLRECOVERTHE3DPROFILOMETRYOFCALIBRATIONOBJECTTOABETTERDEGREE，ANDLAYAFOUNDATIONFORSYSTEMCALIBRATIONSYSTEMCALIBRATIONCALLBEDIVIDEDINTO2PARTSZANDX，YCOORDINATECALIBRATIONZCALIBRATIONMEANSTOFINDOUTTHERELATIONSHIPBETWEENHEIGHTANDPHASEDIFFERENCEX，YCALIBRATIONISTOBUILDACORRESPONDENCEBETWEENIMAGECOORDINATEANDWORLDCOORDINATETHETHESISSTUDIESTHEMATHEMATICALMODELOFSYSTEMCALIBRATIONTHECOLLECTEDTEMPLATEIMAGEISPROCESSEDINTWOPARTS，EDGEANDINNERPARTDURINGTHISPROCESS，THEMATURECALIBRATIONMETHODANDIMAGEPROCESSINGTECHNOLOGYAREREFERREDTOBESIDES，THETHESISHSESTHEFEATURERECOGNITIONBYTHECONNECTIVITYOFMATHEMATICALMORPHOLOGY，REALIZESTHEIMAGEFEATUREOFDETECTIONTHERESULTSSHOWTHATTHISMETHODCANIMPROVETHEANTINOISEABILITYANDFINALLYHTTP/INFO3DOUCOM/网络推手ACHIEVETHELEVELOFSUBPIXELFORCOMERDETECTIONBASEDONMATURECALIBRATIONANDIMAGEPROCESSINGTECHNOLOGYMEANWHILE，THETHESISPROPOSESANEWMETHODWHICHHASHIGHERPRECISIONANDPROFICIENCY一3一DPROFILOMETRYBASEDONCOMBINATIONOFBPANDGRNNFUNCTIONAPPROXIMATIONTHEEXPERIMENTSHOWSTHISMETHODHASHIGHERPROMOTINGACCURACYANDSTUDYINGPRECISIONFORTHENETWORKTHETHESISESTABLISHESPARAMETEROFSYSTEMCONSTRUCTIONANDTHEMATHSMODELFORTHEPRECISIONOF3DPROFILOMETRYSYSTEMCALIBRATIONTHEINFLUENCESONMEASUREMENTPRECISIONCAUSEDBYTHEPARAMETEROFPROJECTION，DISTORTIONEFFECTOFLENS，NONLINEAREFFECTOFCCD，IMAGEACQUISITIONBOARDQUANTIFICATIONEFFECTS，PHASEUNWRAPPINGETCARESTUDIEDINTHETHESISONWARDSTUDYINTHETHESISPROPOSESTHEBASICPRINCIPLEOFPMPCALIBRATINGSYSTEMDESIGNTHECALIBRATIONMODELBASEDONCOMBINATIONOFBPANDGRNNFUNCTIONAPPROXIMATIONIMPLICITLYCANIMPROVETHEPRECISIONOFSYSTEMCALIBRATIONTHECOMERDETECTIONBASEDONFEATURERECOGNITIONOFCONNECTIVITYIMPROVESTHEPRECISIONANDEFFICIENCYOFTHECOMERDETECTIONTHEANTINOISEABILITYISIMPROVEDANDTHELEVELOFSUBPIXELFORCORNERDETECTIONACHIEVEDBYPROCESSTHEIMAGEINTWOSEPARATEPARTSKEYWORDSTECTOPHYSICSSIMULATINGEXPERIMENT，3DSHAPEMEASUREMENT，PHASEMEASUREMENTPROFILOMETRY，CORNERDETECTION，SYSTEMCALIBRATIONHTTP/INFO3DOUCOM/网络推手关于学位论文的独创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学华东或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者魏国鱼萎吼加俨，月黼学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学华东有权使用本学位论文包括但不限于其印刷版和电子版，使用方式包括但不限于保留学位论文，按规定向国家有关部门机构送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名指导教师签名趔2冼儿月月F卜痉O厶7护J沙沙肌肌HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手中因石油大学F华东硕士学位论文11引言第1章绪论本课题是构造物理模拟实验系统的一个重要组成部分，主要用于对地质实验体项面变形程度和过程的定量测量。构造物理模拟实验是研究地质构造的一种有效方法，是帮助地质学家认识构造变形过程、研究构造形成机制的重要手段。构造物理模拟的实质是利用相似性原理，在按照地质要求构建的砂箱等模拟实验条件下，进行地质构造变形过程的模拟实验，通过控制构造变形的因素，反演地质构造的成因和演化过程，模拟地质构造的形成机理，实现对地质构造的结构和形成过程的定性或定量分析。要获取地质实验体顶面变形信息，可以采用采集图像的方法，包括使用摄像机、照相机、扫描仪等，但利用这些手段通常只能得到标定体的平面图像，即标定体的二维信息。如何获取标定体的三维信息，是三维面形轮廓术测量的关键。基于光学三维传感系统标定技术的目的就是要从标定体的二维图像特征点的像素坐标和携带有标定体面形信息的相位中恢复出标定体的世界坐标。鉴于传统测量方法的不足和光学三维面形测量的优势，本文采用非接触光学三维面形测量方法，对实验体的项面图像进行处理，达到获取标定体顶面变形信息的目的。12光学三维传感技术的发展现状光学三维传感技术1】6972是指用光学手段获取标定体三维空间信息的方法和技术，主要是获取三维面形表面各点的空间坐标的方法和技术，它已经成为人们认识客观世界的重要手段、获取标定体三维面形信息的基本方法。根据照明方式的不同，光学三维传感技术可以分为两类被动三维传感和主动三维传感【。具体分类如图11所示HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手第L章绪论广广F空间|I时间如TOF【_J【，一_T国国L调II测F崖胃图卜1三维传感技术分类FIGL1THESORTSOF3DSENSORTECHNOLOGY被动三维传感采用非结构照明方式，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【12,13】。被动三维传感需要大量的相关匹配运算，当被测目标的结构信息过于简单或过于复杂或被测标定体上各点的反射率没有明显差异时，这种相关运算将变得十分复杂和困难。因此被动三维传感方法常常用于三维目标识别、位置形态分析等。这种方法结构简单，在无法采用结构光照明的情况下具有独特的优点，尤其适用于机器视觉领域。主动三维传感采用结构照明方式，由于三维面形对结构光栅的空间和时间调制，可以从携带有三维面形信息的观察光场中解调得出三维面形数据14】。由于这种方法具有非接触、高灵敏度、高测量精度、高自动化等优点，因此大多数以三维面形测量为目的的三维传感系统都采用主动式三维传感方式。它可以分为时间调制和空间调制两类。时间调制方法主要包括飞行时间法TIMEOFFLIGHT，简称TOF15】，直接测量激光或其它光源脉冲的飞行时间来确定标定体面形。空间调制方法主要采用三角法测量原理。在基于三角测量原理的方法中，根据不同的测量技术中从观察光场中提取三角计算所需几何参数的方式不同，一般又可分为四大类调制度测量法、散斑投影法、直接三角法、位相测量法。调制度测量法【16J主要特点是投影方向与观察方向相同，可避免阴影的影响，用于测量空间分布不连续的复杂三维标定体表面具有明显优势。直接三角法轮廓测量术包括激光逐点扫描法10,17,18】、光切法【1922】和二元编码投影法20】。位相测量法包括莫尔轮廓2HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手中国石油大学华东硕七学位论文术【23241，傅里叶变换轮廓术FOURIERTRANSFORMPROFILOMETRY，简称FTP2526，位相测量轮廓术PHASEMEASURINGPROFILOMETRY，I锦PMP27】，空间位相检测SPACIALPHASEDETECTION，简称SPD【28等。FTP和PMP是两种重要的光学三维传感方法，这两种方法各有其优缺点及适用范围。其中，FTP方法是基于位相测量的光学三维传感技术，只需要采集一帧或两帧条纹图，测量速度快，而且具有全场分析和高分辨率等优点，因此适用于在线测量，但FTP需要保证采集条纹图的各级频谱之间不出现混叠现象，从而限制了测量范围，且测量精度相对较低一些。PMP方法实现了点对点求解初位相，避免了标定体表面反射率不均匀引起的误差，其测量精度可高达到几十分之N百分之一个等效波长。但PMP需要精密的相移装置和正弦性良好的投影光栅，相移不准和投影光栅的非正弦性都会引入测量误差。随着计算机、光学元器件和激光价格的降低和性能的提高，三维传感技术己在实用性和商业性的应用中取得突破性的进展，但其应用领域受到很大限制，概括起来，主要有以下几个方面121实时三维测量由于三维传感原理、硬件性能和三维传感算法的制约，当前的三维传感技术一般很难做到实时测量。在工业应用领域中，实时三维测量是降低产品成本和提高产品质量的一个关键，对于数字化加工和设计、快速流水线和集成产品的设计和制造等有着重要的影响。实时三维测量的关键在于能够满足工业在线检测的计算速度，这需要从硬件的性能和算法的设计上寻求突破。122阴影问题基于三角测量原理的各种光学三维传感在原理上要求照明光路和观察光路之间存在一定的夹角，通过测量变形条纹的位相获取三维信息，这种原理导致阴影、遮挡等问题，不能测量表面有高度剧烈变化或不连续区域的复杂三维标定体如有深孔的标定体。增加夹角可以提高精度，但同时导致更多的阴影和遮挡，使局部区域的可靠性下降。解决此类问题的方法是从原理入手，采用垂直测量方法，使照明光路与接收光路同轴或平行。调制度测量轮廓术【73、共焦离焦【7477技术可以解决这一问题，但还有大量问题亟待解决。3HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手第1章绪论123测量系统的校准与优化设计测量系统的校准与优化设计是提高系统精度的一个关键因素，通过仔细设计三维传感系统，优化各种系统参数，作好系统的校准，可以使测量系统的测量精度提高一个量级。通过对光学三维轮廓术关键技术和当前存在的主要问题的研究，将相位测量轮廓术应用到构造物理模拟实验系统中，针对实验系统搭建过程中的实际情况，合理的优化各个环节，尽可能的减少误差以提高实验精度。13基于主动三维传感系统标定技术的现状被动三维传感需要大量的相关匹配运算，当被测目标的结构信息过于简单或过于复杂，或被测标定体上各点的反射率没有明显差异时，这种相关运算将变得十分复杂和困难。因此本文采用主动三维传感的系统标定技术，目前其关键技术如下131相位展开技术研究标定体高度的获得与相位紧密相关，相位的求取过程是整个测量过程中重要的一环。而条纹图中的相位信息可以通过解调的方法恢复出来，常用的方法主要有傅立叶变换法和多步相移法。用傅立叶变换或多步相移求相位时，由于反正切函数的截断作用，使得求出的相位分布在一XNN之间，不能真实的反映出标定体表面的空间相位分布，因此相位的求取过程可分为两大步求取包裹相位和相位的解包裹。132特征点提取技术研究系统标定的目的不仅是要获得标定体的高度，还要获得其横向坐标信息。要实现系统横向标定，分析目标的二维特征和三维结构，必须准确地提取图像中的特征点信息。特征检测就是将这些灰度信息抽取出来，用离散的特征基元来描述图像的二维信息。图像特征点的提取精度直接影响系统标定的精度。133摄像机的标定及神经网络技术的应用提取图像的特征点之后，要完成三维面形测量，必须建立世界坐标系与图像坐标系之间的转换关系，这就是系统标定。一方面可以利用摄像机标定实现摄像机各参数的求取，另一方面可以在神经网络的基础上实现。由于测量系统透镜的畸变效应、CCD的非4HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手中团石油大学华东硕士学位论文线性效应及图像采集板的量化效应等，都会给相位测量轮廓术系统标定带来很复杂的非线性系统误差，而且传统相位测量轮廓术对系统的要求苛刻，这些因素都会降低系统测量精度。如何降低系统标定要求，降低非线性效应影响，提高系统的测量精度，是目前需要解决的问题之一。14本课题主要工作三维面形测量技术是一种高精度的非接触表面形貌测量技术，而系统标定技术是实现三维面形测量技术实用化的一项关键技术。其中相位展开技术、模板特征点的提取精度和系统标定方法的选取直接影响系统标定的精度。本文主要研究图像的特征点提取和系统标定的方法，各章节的具体安排如下第一章，绪论。介绍本课题的来源、研究现状、研究意义以及主要的研究内容。第二章，介绍了光学三维测量技术的基本原理、基本方法，通过仿真变形光栅，滤波后求解解调相位，并对实际图像进行预处理，提取标定体的相位展开信息，为高度测量做好准备。第三章，系统标定的总体设计，先介绍硬件设计的实物图，并对各环节的参数进行说明，再介绍了总体流程图，标定的原理以及关键技术。第四章，主要研究特征点的提取，介绍特征点的定义、常用特征点提取方法和改进的特征点提取方法，通过仿真来比较各种方法的优劣，并将改进的方法运用于实际采集图像的特征点提取。第五章，在实际的测量过程中，为了能够更高精度地得到标定体表面信息，需要对三维面形测量系统进行标定。本章节主要对标定的过程及方法进行了阐述，并在得到高度和相位之间映射关系的基础上，解决对应点高度和横向坐标的标定问题，对不同模型的结果进行比较。第六章，对标定的精度和系统误差进行分析，其中包括系统误差、标定误差、计算方法误差、图像质量引起的误差、光栅自身参数对测量的影响。第七章，结论。对所研究内容进行总结，并提出以后的改进之处。5HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手第2审光学三维传感技术第2章光学三维传感技术光学三维传感技术是指用光学手段获取物体三维空间信息的方法和技术，主要指获得物体表面三维形貌的方法和技术，它已经成为人们认识客观世界的重要手段。由于三维面形对结构光场的空间或时间进行了调制，从携带有三维面形信息的观察光场中，通过适当的方法可以解调出三维面形数据。由于这种方法具有较高的测量精度，作为一种三维面形计量手段已经得到广泛的应用。21光学传感原理本章讨论的范围限定在基于相位测量的光学投影式三维型面测量技术，主要包括相位测量轮廓术和傅立叶变换轮廓术。两种测量方法都采用周期条纹图像的投影方式，变形条纹图像的相位信息包含了物体表面的三维几何信息，通过计算图像的展开相位和高度转换，就可以得到物体表面的高度坐标。211FTP测量原理傅里叶变换轮廓术FOURIERTRANSFORMPROFILOMETRY，简称FTP。1983年，TAKEDA等人将傅里叶变换用于三维标定体的面形测量，提出傅里叶变换轮廓术的工作原理可以描述为1被测标定体三维面形调制信号对投影在其表面的光栅结构光场载波信号进行调制，使光栅结构光场的位相受到标定体三维面形高度分布的调制，形成调制后的变形条纹T；2成像系统将此连续分布的变形结构光场已调信号成像于面阵探测器上，探测器阵列对其进行抽样，获取离散信息送计算机处理；3计算机对所得的离散信息进行快速傅里叶变换处理，从频谱中滤出基频分量，然后对基频分量进行逆傅里叶变换，获取该位相信启、；4根据位相与高度分布的调制关系，解调出被测标定体的三维面形信息。FTP的测量光路原理如图2一L所示6HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手中国石油大学华东J硕一卜学位论文PR03REFERENCEPLANECDO图21FTP测量原理光路图FIG21FTPMEASURINGPRINCIPLEFIGHTPATHDRAWING图21中D是投影仪出瞳和摄像机入瞳间的距离，1为摄像机入瞳与参考平面的距离，H是测量标定体上的一点，C、D是参考平面上的点，O是投影仪与摄像机光轴交点，S是C点在摄像机上的成像，投影仪将正弦罗奇光栅投影到标定体上后，则标定体上H点也在摄像机S点处成像，而此时在H点处投影光栅的相位与没有放置标定体时参考平面上D点的相位相同，因而CD间的相位差与标定体上H点的高度有一定的对应关系，求得CD间的相位差就可以得出标定体H点的高度值。投影仪在标定体上得到的变形光栅图可以表示为GX，Y，X，Y4EXPJ2RRNFOXMPX，Y21式21中X轴与光栅条纹方向正交，Y轴与光栅条纹方向平行，代表光栅像的基频，RX，Y是标定体表面反射率分布的函数，妒Z，Y为由标定体表面高度变化引起的位相调制。没有放置标定体时，投影到参考平面上的参考光栅图可表示为GOX，YA。EXPJ2万NFOXRGOOX，Y】227HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手第2F光学三维传感技。衄。匹1J跪国22一维傅里叶变换频谱匿FI922THEFREQUEN。OFDFFT其中甄X，Y代表初始相位调制，固定Y轴，对式2一122沿X轴进行一维傅里叶变换，得到的频谱可以分别表示为GYTG0，Y。其中GR，的频谱图如图22所示，图中零频分量00反跌背景光强的分布，基频分量。】包含了所要求的位相信息。设计合适的滤波器，将其中一个基频分量提取出来，然后再进行傅里叶逆变换，最终得到的分布可表示为G。，Y247。，Y唧2矾“P。，YJF2_31GO五Y2。，YEXP矾。，Y】24单纯由高度引起的相位调制为却，置，妒王Y妒X，Y一王Y2工历，对应着标定体的高度分布HX，V，由23和24式可得P。Y2ILLO甜G1YGN1Y】25表示取共轭，。表示取复数的虚都，利用三角形相似性可得到所测标定体的高度分布T，Y2JIILIAJOI二X,。YI孑IIF261傅里叶变换轮廓术的流程图如图23所示HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手中国石油大学华东硕士学位论文应I位相展开IJ112一I解调出物体高度分布I图23傅立叶变换轮廓术测量流程图F喀23THEFLOWFORTHEMEASUREMENTOFFTP由于FTP方法使用了傅立叶变换和在频域中的滤波运算，只有频谱中的基频分量对于重建三维面形是有效的，因此防止频谱混叠限制7FTP可测量的最大范围。理论表明，FTP最大测量范围不受高度分布本身的限制，而是受到高度分布在与光栅垂直方向上变化率的限制，1990年由SU等提出的改进傅里叶变换轮廓术IMPROVEDFOURIERTRANSFORMPROFILOMETRY，NF尔IFTP341，在不降低系统灵敏度的前提下，采用正弦光栅投影代替罗齐光栅投影，同时采用万相移技术获取另一个1“相移的变形条纹图像，将FTP的测量范围扩大了3倍。212相位测量轮廓术相位测量轮廓术是由激光干涉计量发展而来，VSRINIVASAN币NMHALIOUA等人在八十年代初将相移干涉术PSIPHASESHIFTINTERFEROMETRYI入到标定体三维面形的测量中，称为相位测量轮廓术PHASEMEASUREMENTPROFILOMETRY，简称PMP。由于PMP和PSI在测量原理上相似，因此二者在发展中相互交融借鉴，随着面阵CCD探测器和计算机的发展，PMP已得到广泛应用。PMP是采用结构光照明的一种非接触的三维面形测量方法。这种方法采用正弦光栅投影和数字相移技术，能以较低廉的光学、电子和数字硬件设备为基础，以较高的速度和精度获取和处理大量的三维数据。妻IHTTP/INFO3DOUCOM/网络推手第2章光学三维传感技术PMP光路原理图与FTP光路原理图类似，两者在操作上有区别FTP方法一般只需采集N两幅光栅条纹图像，而PMP方法则需要一定相移的多幅光栅条纹图，根据将一个光强分布呈正弦变化的光栅图作为面结构光，当光栅投影到三维漫反射标定体表面时，所探测的正弦光栅受标定体表面高度调制的图像可以用式27表示IX，YAX，YB工，YCOSBX，YF271式27中，AX，Y为背景光强，BX，Y为条纹的调制度，相位函数妒X，Y是由标定体三维面形高度信息五工，Y所决定的条纹变形，其中，矽五Y2RFOXFAX，Y。将正弦光栅安装在一个移动装置上，使光栅能在沿栅距方向来回可控移动，常用的相移方法是N帧满周期等间距法，利用某一点在多次采样中探测到的强度值来拟合出该点的初相位值，各点相位可用式28计算得到一】N一1矽X，Y一ARMN50E1,SIN2乃，Z77LCOSNU2石，Z7F281，一L通常N取4，公式简化成抛川一错29此时得到的相位值被限制在主值区间一万到万内，称为包裹相位，为了从相位函数计算被测标定体的高度分布，必须将由反三角运算引起的包裹相位恢复成真实的相位分布，这一过程称为相位展开PHASEUNWRAP。相位展开后可获得变形光栅条纹的各点真实连续相位，只要得到了真实的相位分布，根据系统标定的数学模型就可以得到被测标定体的高度信息，具体的标定方法在第五章进行讨论。22相位展开如前所述，傅立叶变换法和多步相移法求得的相位由于反正切函数的截断作用，使得求出的相位分布在一万到疗之间，不能真实地反映出标定体表面的空间相位分布，需要进一步进行相位展开，根据标定体加入测量光场前后的展开相位差就可以获得标定体的高度，因此需要进行相位的解包裹。相位展开的基本原理就是分析相邻测量点之间的相位变化，检查是否符合连续性条件，若不满足，则根据相位变化情况，针对性地减去2石的整数倍相位，从而恢复出真10HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手中困石油7I学F华东硕卜学位论文实相位。复信号SRISR1E刷的相位缈R通常由反正切计算得到，相位被截断在JR，厅范围内，被截断了的相位ER9尸2ZRKR210其中KR是整数函数，一万O、口A2一18它是一个双窗函数，其中A是表征频率的参数，称为尺度，F是表征时间或空间位置的参数。信号与小波函数作内积得到WVF即I口RIFF孓等疵219假定F，国分别表示TT,的时间窗和频率窗中心，A甲，A，分别表示甲的时间窗和频率I，窗的半径，则小波变换厂口，R将信号限制在时间窗P口F一口甲，F们4口A甲和频率窗L口1国一ALA，口叫COALAI之内。时间窗中心在FAT，窗宽为2AA甲；频率窗中，T3掣哪I在A1缈，窗宽为2口一1。可以看出，频窗宽度正比于其中心频率，即小波变换的频域14HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手中固石油大学华东J硕卜学位论文划分有一相对恒定的宽度。当尺度增加时，时间窗变宽，而频率窗变窄，适合提取信号中的低频成分；当尺度减小时，时间窗变窄，而频率窗变宽，适合提取信号中的高频成分，因此小波变换既具有时间局部化能力，也具有频率局部化能力，称其具有多分辨率特性。小波的时频局部化特性和多分辨率特性决定了小波滤波方法与传统方法相比，具有独特的优势能够在去除噪声的同时，很好的保留信号突变部分或图像边缘。由于信号和噪声在小波域中有不同的形态表现，它们的小波系数幅值随尺度变化的趋势不同。随着尺度增加，噪声系数的幅值很快衰减为零，而真实信号的系数幅值基本不变。因此有如下描述小波滤波，就是利用具体问题的先验知识，根据信号和噪声的小波系数在不同尺度上具有不同性质的机理，构造相应规则，在小波域采用其它数学方法对含噪信号的小波系数进行处理。处理的实质在于减小甚至完全剔除由噪声产生的系数，同时最大限度的保留真实信号的系数，最后由经过处理的小波系数重构原始信号，得到真实信号的最优估计。一般的滤波只要求能够去除噪声就可以了，但在傅里叶变换测量轮廓术中，还要能够去除零频分量，这时可以利用小波的多分辨率特性来去除零频分量。小波变换有一种“集中”的能力，有用信号经小波变换后，信号产生的小波系数幅值较大，数目较少，而噪声对应的小波系数幅值较小，通过在不同尺度上选一个合适的阈值，并将小于该阈值的小波系数置零，而保留大于该阈值的小波系数，从而使信号中的噪声得到有效抑制，最后进行小波逆变换，得到滤波后的重构信号。这样，就可以将傅里叶变换轮廓术测量光栅图像中的噪声消除。对信号进行多层小波分解，可以将信号的低频以及高频分量依次分离开。图25是在有噪声的情况下经巴特沃斯图25A滤波和小波分析图25B处理后恢复的三维图，可以看到，经小波处理后的信号可以正确的恢复出标定体的三维形貌，而经巴特沃斯滤波处理后恢复的三维标定体边界有不完善的地方。15HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手镕2口光女维传感技MA巴特妖斯滤波恢复刿IBD波滤波恢复刳ATHERECOVECYOFBUTIORLHFIIT日BTNERECOVERVOFWAVELETFILTER图25三蛙标定体重建图FI92一STHERECONSTRUCTIONOF3DOBJECT要进行系统标定，需要利用光学三维测量系统，采集标定体引起的变形信息，恢复出标定体的相位信息，为系统标定做好准备。本文采用4帧法，采样4汝，得到4幅参考光栅、4幅变形光栅，如图26所示实际采集参考条纹和变形条纹。利用PMP求取截断相位，采用空域解相位算法对二维图像的行和列分别进行展开，得到变形条纹的相位、参考相位，变形条纹和参考条纹之差即斜面的相位。图27为未经滤波恢复的相位，图28为采用维纳滤波后恢复的相位。FA参考条纹变形条红FAREFERENCESTRIPESMDEFORMATAONSTRIPE图26采集的参考条纹和变形条纹F堙26COLLECTIONOFTHEREFERETTEEANDDEFORMATIONSTRIPES够，_。HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手中国石油太学F华东J磺学位论文A古参考平面的斜面解相位HJ不舍参考平面的斜面解相能APHASEOFSLOPEWITHREFERENCEPLANEBPHASEOFSTOPEVITHOUTREFERENCEPLANE圈27漶披前得到的相位图FIG2PREFDTERIAGOFTHEPHASEDIAGRAM角畛V舻1。彳”A含参考平面的斜面解相位BJ不古参考平面的斜面解相位APHASEOFSLOPEWITHREFE呦CEPLMAE佑PHASEOFSLOPEWITHOUTREFERENCEPLANE图28维纳滤渡后得到的相位F噜28AFTERWIENERFALTERINGOFTHEPHASEDIAGRAM24本章小结本章先介绍了光学三维传感技术的两种基本原理，包括FTP测量原理和PMP测量原理。由于F即方法需要考虑防止频谱混叠，限制了FTP可测量的最大范围，本文采用PMP方法。PMP方法解出的相位是由反正切函数求解的包裹相位，限制在一ZTPSF范围内，为了使得相位能反映出物体的面形，需要进行相位展开。接着本章介绍了相位展开原理，并对仿真的物体加噪，分别用各种方法进行滤波处理，与各种传统的滤波方法相比，采用小波多分辨率理论对加噪的仿真图像进行滤波预处理，较好地进行相位解包裹。最后对采集的图像进行预处理由于实际采集的图像中的噪声具有兮一陟一够HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手第2章光学三维传感技术不确定性，本文采用维纳滤波对实际图像进行处理，较好地实现相位展开，进行图像增强，达到恢复标定体的三维轮廓的目的，为系统标定奠定了基础。18HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手中国石，、R。东砸十位论土第3章系统标定的总体设计31光学三维测量系统的设计光学三维传感是获取三维面形表面各点空旬坐标的方法和技术。基于结构光投影的三维测量系统主要任务是进行数字化测量，从而获取标定体表面的三维数据，测量系统结构示意图如下采集卡摄像机参考面L圈31测量系统结构示意图FI931BHFI“UFULRLEOFTHEMEASUREMENTSYSTEM系统的一般工作原理是投影仪将结构光图案投影到三维标定体表面，变形的图案包古了标定体的三维表面信息，用CCD摄像机对变形的光栅进行采集经AD变换成数字图像输入计算机，图像分析后得到标定体的三维表面信息。成像标定体光栅上保存着所有结构光光栅的图像信息。系统进行测量时，光栅上的一系列图像经投影系统投影到被测标定体表面上，然后由摄像机将经过调制的光栅摄入，存储进计算机，再经过软件计算处理，获得所需的标定体的高度信息。测量系统主要由硬件和软件两个部分组成硬件部分主要包括投影光路、光栅位移控制系统与载物平台、图像采集卡、CCD摄像头、计算机等软件部分主要包括系统标定程序、图像采集和处理程序、特征点的提取、数据处理及输出程序、数据显示及操作程序等。】投影系统三维测量系统的自适应性表现为测量系统能根据被测标定体的几何形状以及测量参HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手第3章系统标定的总体设计数距离、范围、角度自动调节其投影接收系统的能力，以及解调算法随时跟上投影图样变化的能力。在投影系统中，采用投影仪作为光栅投影设备。采用投影仪做投影设备比采用光栅胶片加照明系统做投影系统有更多优势1调节方便投影仪做投影设备是利用计算机生成正弦光栅条纹，可以任意改变条纹周期、强度、初始相位等；2设备简单若用到相移技术，普通的光栅投影系统需要通过非常精密的机械结构来保证正确的相移，而投影仪不必用机械结构只通过计算机软件来实现相移即可。目前所用的投影仪主要有以下两种，一种是液晶投影机LCDLIQUIDCRYSTALDISPLAY，另一种是数码光处理器DLPDIGITALLIGHTPROCESSOR。本测量系统采用黑白CCD采集数据，所以对图像色彩要求不高，而对光的对比度和亮度有很高的要求，考虑以上几点，我们选择了EMP760型投影仪。该款投影仪不仅仅能调节亮度和对比度，还能调节梯形角。2CCD摄像头的工作原理及型号选择33CCD摄像头是图像采集必不可少的器件之一。它是由具有光电效应的半导体器件组成一个面阵单元，随景物变换而感受到信号的电荷量，存储在器件内，然后再转移到移位寄存器中，在控制信号作用下，移位寄存器中的电荷从左到右扫描完成一行图像信号输出，再逐行从上至下的扫描完成一帧图像信号的输出。由于它具有体积小、重量轻、耗电量小，寿命长等优点，目前获得极为广泛的应用。CCDCHARGECOUPLEDDEVICES电荷耦合器件用于摄像器件的工作原理如下一个线阵CCD是由P型硅衬底和许多铝电极组成，在铝电极和硅衬底之间有一层绝缘底SI02。如果在电极P上有高电位时，该电极下硅衬底中的“空穴”便移向衬底深处，而电子则移向SI02层形成耗电区。这部分衬底与SI02之间界面处电子势能最低，可以看作是一个势井光线在P型硅衬底中产生的光电子就集聚在这势井里而形成电荷包。CCD器件从获得与景物照度成比例的电荷量到把它作为向电视扫描线一样逐行扫描输出一般分为两个过程集聚期和输出期。电荷包的形成在集聚期中完成，输出期将完成电荷包的传输，从而形成图像信号。对于CCD的选择主要是考虑分辨率。估计摄像机分辨率的指标是水平分辨率，其20HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手中国石油大学华东硕士学位论文单位是线对，即成像后可以分辨的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为380600，其数值越大成像越清晰。本系统采用的CCD摄像机的型号为MTV1881EX，其主要技术指标参数如下成像面积795RAM645MM像元个数795H596V最小照度002LUX信噪比优于48DB工作温度20C一550C工作电压12VDC士10分辨率水平600TV线3图像采集卡的工作原理及选择在图像信息转换的过程中，CCD摄像机把按空间分布的光学图像信息转换为按时间分布的视频图像信息，图像采集卡又将CCD摄像机输出的视频图像信息转换为适合运算处理的数字图像信息。可见，图像采集卡在图像信号转换过程中起了关键作用，它对CCD摄像机输出的视频图像信号实施了高速数模转换，为计算机处理系统提供了可识别的检测数据。图像采集卡分为模拟信号采集和数字信号采集两种。本系统采用由中自集团开发的基于PCI总线设计的黑白图像采集卡AMPE1000N，输入模拟视频信号经滤波、高精度AD转换成8BITS数字序列，以66MBS的速度传输到内存。采集的图像从最小4X4BITS到最大10241024BITS，标准的图像为768576BITS。此采集卡的驱动程序高效、可靠、与开发环境结合紧密，选用此卡可以在提高系统可靠性的同时缩短开发时间。32总体测量流程根据光学三维测量系统的设计的原理，系统标定的关键技术包括相位展开、角点提取和系统的横纵向标定，总体设计流程如下21HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手第3章系统标定的总休世J采集参图3总体涮量流程FI932THEOVERALLMENTOFFLOW实验中采用正弦光栅投影的4步采样方法，采集参考平面上投影光栅图像，然后在参考平面上放入标定体，采集变形光栅条纹去掉光栅和标定体，在参考平面上贴上模板，采集模板图像；再将参考平面向前平移一定的距离一般在23RRTM范围内，分别采集条纹图像和模板图像，依次平移标定平面。将图像进行预处理，利用PMP方法求解包裹相位，井解调出参考条纹和变形条纹的相位信息，求取两者的相位差，观察分析相位差和高度信息建立两者转换关系，将标定矩阵保存起来，实现系统的纵向标定。完成纵向标定后，只要摄像机和投影仅的位置保持不变，每次测量时标定矩阵的值都是不变的，不需要重新进行标定。系统的横向标定是在纵向标定的基础上实现的处理采集的不同高度位置的模板图像，经图像预处理提取模板图像的特征点，利用纵向标定的高度和特征点坐标建立像素坐标和对应的世界坐标的模型，实现横向标定，最终完成系统标定。33光学三维轮廓术系统标定的原理采集卡摄像机O一7一一坚33标定的过赣FIG33THEPROCESSOFCALIBRATION22一系定一I取一而标一一角撂一雾墅磊蔼黔一芸型鐾F骘HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手中国石油大学华东硕士学位论文如图33所示，将标定靶放在CCD摄像机的成像位置上，通过图像处理方法进行调焦，调整靶标件位置使其成像在最清晰位置。然后使视觉系统在导轨上移动，使靶标特征点分别在CCD摄像机上不同位置成像。记录每个位置时视觉系统的位置和标定靶特征点在图像中的位置，根据世界坐标和像素坐标求出标定参数。PMP三维面形测量就是要从被测物体的计算机图像像素坐标“，V和携带有被测物体面形信息的相位差AOU，V中恢复出物体世界坐标工，Y，Z，即“，V，AOU，V一工，Y，Z。在实际测量前应进行系统标定，本节的标定方法为利用正弦光栅进行Z标定，建立起“，V，AOU，V一Z的对应关系并存储；利用打印的黑白圆模板进行X，少标定，建立起，“，V一X，Y的对应关系并存储。在PMP系统实际三维测量时，首先，利用相位差和变形条纹的图像像素坐标，参考存储的的映射关系“，V，妒“，V一Z得到被测物体的高度信息Z；然后，利用图像像素坐标和解出的Z坐标，参考映射关系，“，V一工，Y得到物体的面内坐标工，Y，从而得到物体的世界坐标X，Y，Z，完成三维面形测量。34本章小结本章主要介绍光学三维测量系统的设计的结构组成、总体设计流程、系统标定原理。测量系统主要包括硬件和软件部分，主要对硬件设备的参数的选型进行说明，并进行了调试，再介绍总体设计流程、关键技术、系统标定的原理和过程进行介绍，为实现二维图像信息到三维世界坐标的转换打下了基础。HTTP/INFO3DOUCOM/网络推手第4章图像特征点提取技术研究第4章图像特征点提取技术研究实现系统标定，不仅是需要获得高度信息，而且需要获得标定体横向信息，要获得横向信息，需要通过特征点建立世界坐标与图像坐标对应点之间的转换关系。特征点是图像的一个重要的局部特征，它在保留了图像中物体重要特征信息的同时，又有效地减少了信息的数据量，因而成为图像理解和模式识别中重要的信息，图像特征提取技术也成为图像处理的有力工具之一。特征点主要包括灰度局部最大值点、局部边缘、角点和圆心等。特征点的检测在光流计算、运动估计、形状分析、相机标定和3D重建、视觉的定位和测量等方面都有重要的应用。在光学三维测量系统标定技术研究中，本文采用圆形模板，提取采集图像的圆心作为特征点，建立与世界坐标之间的关系，特征点的提取精度对标定结果有重要的影响。41常用模板标定靶有三维、虚拟三维和二维等几种。三维靶一般适合高精度的标定，但其测量与制造相对复杂得多。二维靶定位简单容易，在摄像机标定中得到普遍的应用，图41为二维常用标定靶模板，但有时不适合摄像机某些参数的标定。虚拟三维实际是将二维标定靶通过已知一定的运动来模拟三维场景