基于無衍射光投影的三維形貌精密測量及應用.pdf

1、物體三維形貌可提供豐富直觀的信息,在現(xiàn)代生活和生產(chǎn)的眾多領(lǐng)域存在巨大的潛在應用。近年來,隨著數(shù)字投影設備、圖像傳感器及圖像處理設備的發(fā)展,基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測量技術(shù)得到廣泛研究與應用,提供了物面形貌全場、大量程的測量手段。但是,物體形貌三維全場精密測量仍面臨許多技術(shù)難題。現(xiàn)有的基于條紋投影的三維形貌測量技術(shù)由于投影設備精度,系統(tǒng)模型等限制,無法獲得物體表面形貌的精密測量結(jié)果,不能滿足精密測量和計量的要求。如何提高基于條紋投影的三

2、維形貌測量范圍、測量精度及適應性,是三維形貌測量的重要研究及發(fā)展方向。本文提出了一種三維形貌精密測量系統(tǒng),其利用條紋對比度高,強度呈正弦分布的無衍射柵型結(jié)構(gòu)光作為投影光源,并借助機器視覺相關(guān)技術(shù),實現(xiàn)物體三維形貌精密測量。本文對提出的三維形貌精密測量系統(tǒng)中關(guān)鍵技術(shù),包括柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影實現(xiàn)、攝像機標定、投影系統(tǒng)標定、條紋圖像處理及形貌還原算法等,展開研究,并提出系統(tǒng)的潛在應用。
　　主要工作與創(chuàng)新點如下:
　　提出基于無衍

3、射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影的三維形貌精密測量模型,即根據(jù)攝像機針孔成像幾何模型和投影光平面方程間的幾何關(guān)系直接獲得物體表面的空間坐標,該三維形貌還原模型不存在近似等效,保證了三維形貌還原精度。
　　提出利用雙三角棱鏡為主要光學元件實現(xiàn)無衍射柵型結(jié)構(gòu)光的方法。利用幾何光學分析了所產(chǎn)生的柵型結(jié)構(gòu)光條紋的特性,包括條紋間距、強度分布、最大投影距離等;進一步利用衍射理論及數(shù)值仿真分析了基于雙三角棱鏡產(chǎn)生的柵型結(jié)構(gòu)光的無衍射特性,并首次討論了雙三

4、角棱鏡的邊緣孔徑及棱脊衍射對產(chǎn)生的柵型結(jié)構(gòu)光強度的影響。利用改進的馬赫-澤德(Mach-Zehnder)干涉光路及488nm藍光DPSS(Diode Pumped Solid Satae)激光器實現(xiàn)了投影視場大的類無衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋投影,該波段的激光可使熒光素鈉激發(fā)出黃綠色熒光,便于擴展應用。
　　研究并提出了基于攝像機針孔模型透視投影關(guān)系的小視場攝像機的精密標定方法,實現(xiàn)攝像機光心及工作范圍內(nèi)焦距的精確標定。提出了柵型結(jié)構(gòu)光投

5、影系統(tǒng)投影光平面方程與光平面相位關(guān)系的標定方法。對系統(tǒng)進行了實際標定實驗,驗證了所提標定方法的可靠性與準確性。
　　提出一種基于功率譜密度的無衍射柵型結(jié)構(gòu)光條紋圖像散斑抑制的算法。通過分析散斑噪聲與載波條紋的功率譜密度分布,發(fā)現(xiàn)散斑噪聲的功率譜密度分布比有用的載波條紋及物面變化的功率譜密度小的多,利用帶有散斑噪聲的物面條紋圖像功率譜密度分布構(gòu)建合適的濾波器,去除由于采用相干光照明引起的圖像散斑,獲得很好的散斑抑制結(jié)果。并利用條文強

6、度散斑系數(shù)評估濾波效果。
　　條紋相位計算是采用傅里葉變換的方法,該方法只需一副條紋圖像,適合于快速形貌測量。利用投影線結(jié)構(gòu)光條紋為參考對投影柵型結(jié)構(gòu)光條紋進行編碼,并提出利用相位跳變點實現(xiàn)整體相位解包裹算法,可有效抑制由噪聲引起的孤立相位跳變及累計誤差。實際測量實驗驗證了算法的通用性與可靠性。
　　利用所提的三維形貌測量模型,結(jié)合所提相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)進行了實際物體三維形貌測量,并與商用三維掃描設備測量結(jié)果進行比較,分析了相關(guān)測