基于相位測量輪廓術的三維輪廓測量系統(tǒng)研究.pdf

1、相位測量輪廓術是目前使用最為廣泛的一種光學三維輪廓測量技術，具有測量速度快、易自動化、柔性好和全場測量的特點，在工業(yè)檢測、質量控制、逆向工程、生物醫(yī)學、虛擬現(xiàn)實、文物保護、人體測量等眾多領域中具有廣泛的應用。近十年來，相位測量輪廓術不斷向著高精度，高穩(wěn)定性，高速度的方向發(fā)展。本文主要研究相位測量輪廓術中與提高系統(tǒng)測量精度相關的關鍵算法，構建三維輪廓測量系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)相位計算是相位測量輪廓術的基礎研究內(nèi)容之一，

2、由光柵圖像計算得到的相位值可以較輕易的確定攝像機和投影儀之間對應點匹配關系。本文詳細介紹了相移法原理以及兩種相位展開算法，在分析比較各算法優(yōu)缺點基礎之上，選取穩(wěn)定性較強的多頻外差方法作為相位展開算法，并利用極線約束提高對應點匹配運算的精度。實驗結果表明多頻外差方法能夠對表面不連續(xù)物體以及具有復雜表面反射率、紋理的物體進行有效的相位展開，基于極線約束的對應點匹配計算可以重建得到高精度的物體表面輪廓三維坐標。
　　(2)在光學三維輪廓

3、測量中，投影儀gamma非線性引起的光柵非正弦化以及環(huán)境光是相位誤差的主要來源。本文分析了光柵非正弦化的過程以及相位誤差產(chǎn)生的原因，提出了一個考慮環(huán)境光參數(shù)的相位誤差數(shù)學模型，并分別闡述了黑暗環(huán)境條件下和有環(huán)境光條件下的相位誤差補償方法。理論分析與實驗結果表明，不同環(huán)境光情況下，測量得到的相位誤差幅度也會發(fā)生變化。本文提出的相位誤差補償方法可以有效地消除相位誤差。
　　(3)系統(tǒng)標定算法是光學三維輪廓測量技術的關鍵算法之一。本文介

4、紹了攝像機參數(shù)標定的主要方法，系統(tǒng)分析了攝像機的小孔成像模型以及其內(nèi)外部參數(shù)的意義。本文利用投影儀DMD圖像，將投影儀參數(shù)轉化為攝像機參數(shù)進行標定，并采用雙目立體視覺標定方法優(yōu)化內(nèi)部參數(shù)以及標定外部參數(shù)。實驗結果表明，此標定方法可以獲得較高的參數(shù)標定精度以及系統(tǒng)測量精度，測量精度達到0.1mm。
　　(4)在基于立體視覺原理的三維測量系統(tǒng)中，相機、投影儀和物體的位置可以任意擺放。這使得光柵投影方向與系統(tǒng)基線方向產(chǎn)生了一定的角度，對

5、系統(tǒng)敏感度會產(chǎn)生一定的影響。本文分別基于三角測量原理與立體視覺原理理論分析了光柵角度與系統(tǒng)敏感度之間的關系，提出了可以使得系統(tǒng)敏感度最高的光柵角度的計算方法。仿真與實際測量表明，存在一個光柵角度，使投影光柵的相位變化方向與相機-投影儀基線平行，此時系統(tǒng)敏感度最高。
　　本文基于雙相機-投影儀系統(tǒng)模型研發(fā)了一套高精度、高分辨率的三維輪廓測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了對靜止物體、人體手部、腳部以及臉部和人體眼角區(qū)域的三維輪廓重建。重建結果顯示本文研