反求工程中融合特征捕捉的光學(xué)三維測(cè)量方法研究及系統(tǒng)開(kāi)發(fā).pdf

1、反求工程從三維數(shù)據(jù)測(cè)量開(kāi)始，最終目的是要得到精確的實(shí)體模型，數(shù)據(jù)測(cè)量和特征提取在這一過(guò)程中具有十分關(guān)鍵的作用。本文基于三角測(cè)量原理，對(duì)提出的融合特征捕捉的光學(xué)三維測(cè)量方法及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)深入的研究，開(kāi)發(fā)出了高精度光學(xué)三維測(cè)量系統(tǒng)，取得了滿(mǎn)意的效果。 針對(duì)基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征提取方法效率低的問(wèn)題，提出了融合特征捕捉的光學(xué)三維測(cè)量新方法，研究了基于多種測(cè)量過(guò)程信息相融合的特征捕捉方法，在三維測(cè)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)特征捕捉。首先基于格雷碼

2、有序性和相移圖像的分析有效去除陰影，基本消除了光學(xué)測(cè)量中由于遮擋等原因引起的噪聲。其次，基于無(wú)光柵圖像、格雷碼矩陣、相位梯度圖等信息分別進(jìn)行了表面特征捕捉的研究?；跓o(wú)光柵圖像幾乎可以獲得表面的所有特征，但由于表面顏色、灰度等因素的影響而存在大量偽特征；基于格雷碼編碼矩陣可以獲得表面的不連續(xù)特征，但無(wú)法檢測(cè)出連續(xù)特征；基于相位梯度圖的方法可以檢測(cè)出表面的突變特征和連續(xù)特征，并且消除了無(wú)光柵圖像表面顏色的影響?；谏鲜龆喾N測(cè)量過(guò)程信息的融

3、合最后獲得完整的表面特征，試驗(yàn)結(jié)果表明該特征達(dá)到了一個(gè)測(cè)量采樣點(diǎn)的精度。該方法極大地提高了特征提取的效率，同時(shí)由于采用單獨(dú)的點(diǎn)云輸出，保證了特征表達(dá)的精度，對(duì)提高后續(xù)的模型重建工作的效率和精度具有顯見(jiàn)的積極意義。 在分析光學(xué)三維測(cè)量原理和技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)格雷碼相移融合測(cè)量方法及其若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，并提出了一種基于等周期線(xiàn)性修正和加權(quán)中值平滑相結(jié)合的相位誤差補(bǔ)償新方法。首先對(duì)基于結(jié)構(gòu)光編碼的格雷碼方法、相移法分別進(jìn)行

4、了試驗(yàn)研究，并采用亞像素級(jí)解碼技術(shù)對(duì)格雷碼方法進(jìn)行了改進(jìn)，測(cè)量的高度分辨率從0.22mm提高到0.1mm以?xún)?nèi)，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的光順性得到明顯改善，從而擴(kuò)大了該方法的應(yīng)用范圍。根據(jù)格雷碼方法和相移法各自的特點(diǎn)，將兩者結(jié)合起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)大場(chǎng)景、高分辨率的測(cè)量，并能同時(shí)獲得表面突變信息和細(xì)節(jié)信息。本文對(duì)格雷碼相移融合測(cè)量方法及其若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。在分析全場(chǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上詳細(xì)推導(dǎo)了該方法的數(shù)學(xué)模型，給出了精確的三維坐標(biāo)表達(dá)式?；诟窭状a和

5、相位梯度檢測(cè)進(jìn)行全場(chǎng)相位解碼，實(shí)現(xiàn)了精確的絕對(duì)相位計(jì)算。針對(duì)相位測(cè)量技術(shù)中普遍存在的相位擾動(dòng)誤差問(wèn)題，在研究OPTF方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于等周期線(xiàn)性修正和加權(quán)中值平滑相結(jié)合的相位誤差補(bǔ)償新方法，取得了良好的效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，OPTF方法對(duì)點(diǎn)云擾動(dòng)誤差的改善為25﹪，采用本文方法后點(diǎn)云擾動(dòng)誤差平均降低了62.5﹪。 對(duì)三維測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了基于全場(chǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)系模型的系統(tǒng)綜合標(biāo)定方法。在通過(guò)攝像機(jī)標(biāo)定獲得內(nèi)部

6、參數(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)全場(chǎng)結(jié)構(gòu)關(guān)系模型分析系統(tǒng)測(cè)量誤差與系統(tǒng)參數(shù)問(wèn)的定量關(guān)系，然后根據(jù)對(duì)特定標(biāo)定模板的測(cè)量誤差不斷迭代修正系統(tǒng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綜合標(biāo)定。試驗(yàn)證明了該方法的有效性，可以達(dá)到較好的標(biāo)定精度。 在上述研究成果的基礎(chǔ)上，以自制的高精密物理光柵器件為核心實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出了光學(xué)三維測(cè)量樣機(jī)系統(tǒng)。測(cè)量系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件部分包括光柵投影裝置和圖像采集系統(tǒng)、以及系統(tǒng)控制單元，軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的