高動態(tài)范圍光亮表面的結(jié)構(gòu)光三維形貌測量方法研究與實現(xiàn).pdf

1、結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)目前在工業(yè)檢測/質(zhì)量控制、逆向工程（復雜自由曲面的數(shù)字化）、物體識別、文物保護、醫(yī)學和虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域得到了廣泛應用。通過該技術(shù)可以準確獲得工件的幾何形貌信息，為先進制造、自動裝配、表面檢測等提供有效的指導;另一方面，將工件的三維點云與CAD模型或已有三維數(shù)據(jù)進行比對，可檢測出工件的形變，為質(zhì)量控制、應力分析、碰撞測試等提供更加完整和更容易理解的可視化分析手段。然而，現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)在應用中仍然存在一些問題，比如

2、要求測量時環(huán)境光照限制在一定范圍內(nèi)，被測物體必須是漫反射表面，且表面反射率變化范圍不大。而工業(yè)生產(chǎn)中有大量金屬工件以銑削加工為主，經(jīng)過加工處理后工件的表面會變得十分光亮，若直接對這種光亮表面進行測量，則鏡面反射之后的光會太強，造成相機圖像傳感器飽和，丟失條紋圖像高光區(qū)域的條紋信息，以致難以正常進行測量;另一方面，由于相機的動態(tài)范圍有限，對于反射率較低的區(qū)域，則會造成條紋過暗，大幅降低測量精度。針對這些問題，本文系統(tǒng)地研究了結(jié)構(gòu)光圖案編碼

3、、相位誤差補償、系統(tǒng)標定和高動態(tài)范圍條紋圖像的獲取等多個關(guān)鍵技術(shù)，提出一種自適應、高動態(tài)范圍結(jié)構(gòu)光三維測量新方法，包括線移法編碼結(jié)構(gòu)光圖案、基于特征點映射的系統(tǒng)標定算法、自適應調(diào)節(jié)條紋圖案的最佳投射灰度值和基于平滑樣條擬合的相位誤差補償算法，有效地解決了光亮表面結(jié)構(gòu)光三維測量中數(shù)據(jù)丟失的難題，為高動態(tài)范圍光亮表面的三維測量，特別是復雜機加工零件的三維測量，提供了有效的解決途徑。本文主要內(nèi)容概括如下:
　　(1)深入調(diào)研國內(nèi)外光亮表

4、面的三維形貌測量方法，對現(xiàn)有的方法進行歸納，比較，分析，同時指出該領(lǐng)域仍然存在的難點問題，明確本文的研究內(nèi)容。
　　(2)針對目前廣泛使用的相移法在測量光亮表面時面臨圖像飽和、互反射和噪聲靈敏度高等問題，在深入研究空間編碼方法、時間編碼方法、相移法等結(jié)構(gòu)光圖案編碼原理的基礎(chǔ)上，提出一種面向光亮表面的快速、魯棒、高空間分辨率的線移法。為了使生成的圖案比正弦條紋圖案更可靠，使用格雷碼生成正反黑白條紋圖案，并像相移法一樣進行線移。而在圖

5、案解碼時，對采集的條紋圖像邊緣的非線性輪廓做線性插值，通過求解交點得到亞像素精度的邊緣坐標，由此達到較高的空間分辨率。
　　(3)測量系統(tǒng)標定是個復雜且耗時的過程，針對基于參考平面的系統(tǒng)標定算法存在約束過強、標定精度不高、可操作性差、需要定制特殊的標定板等問題，提出一種基于特征點映射的系統(tǒng)標定算法。把數(shù)字投影儀當作逆向的相機，通過建立相機圖像像素和數(shù)字投影儀圖像像素之間的精確對應關(guān)系，將相機拍攝的標定板圖像中的特征點坐標映射為數(shù)字

6、投影儀圖像坐標，從而將數(shù)字投影儀參數(shù)標定轉(zhuǎn)化為成熟的相機標定，進而將整個結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)的參數(shù)標定轉(zhuǎn)化為雙目立體視覺系統(tǒng)的參數(shù)標定。
　　(4)針對目前在光亮表面三維形貌測量方面存在的自適應測量問題，提出一種自適應、高動態(tài)范圍的結(jié)構(gòu)光三維測量算法。通過建立光亮表面條紋圖案成像的數(shù)學模型，分析被測物體表面反射率、表面互反射和環(huán)境光照等因素對采集的條紋圖像的影響，提出兩種生成條紋圖案最佳投射灰度值算法，實現(xiàn)自適應調(diào)節(jié)條紋圖案中每個像

7、素點的最佳投射灰度值，以克服由于被測物體表面反射率、表面互反射和環(huán)境光照等因素引起的高光和黑暗，從而獲得清晰的條紋圖像，恢復被測物體的三維形貌。
　　(5)在解相位過程中，針對條紋圖像的灰度分布非正弦化引起的相位誤差，通過對系統(tǒng)的非線性效應進行建模，在分析系統(tǒng)非線性響應及相位空間分布特征的基礎(chǔ)上，提出一種基于平滑樣條擬合的相位誤差補償算法。從平面標定板的條紋圖像中提取相位誤差并構(gòu)建相位誤差查找表，并在后續(xù)測量過程中，用于補償求得的