高動(dòng)態(tài)范圍光亮表面的結(jié)構(gòu)光三維形貌測(cè)量方法研究與實(shí)現(xiàn).pdf

1、結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)目前在工業(yè)檢測(cè)/質(zhì)量控制、逆向工程（復(fù)雜自由曲面的數(shù)字化）、物體識(shí)別、文物保護(hù)、醫(yī)學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。通過該技術(shù)可以準(zhǔn)確獲得工件的幾何形貌信息，為先進(jìn)制造、自動(dòng)裝配、表面檢測(cè)等提供有效的指導(dǎo);另一方面，將工件的三維點(diǎn)云與CAD模型或已有三維數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，可檢測(cè)出工件的形變，為質(zhì)量控制、應(yīng)力分析、碰撞測(cè)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(cè)量技術(shù)在應(yīng)用中仍然存在一些問題，比如

2、要求測(cè)量時(shí)環(huán)境光照限制在一定范圍內(nèi)，被測(cè)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(huì)變得十分光亮，若直接對(duì)這種光亮表面進(jìn)行測(cè)量，則鏡面反射之后的光會(huì)太強(qiáng)，造成相機(jī)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(jìn)行測(cè)量;另一方面，由于相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍有限，對(duì)于反射率較低的區(qū)域，則會(huì)造成條紋過暗，大幅降低測(cè)量精度。針對(duì)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(bǔ)償、系統(tǒng)標(biāo)定和高動(dòng)態(tài)范圍條紋圖像的獲取等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，提出一種自適應(yīng)、高動(dòng)態(tài)范圍結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量新方法，包括線移法編碼結(jié)構(gòu)光圖案、基于特征點(diǎn)映射的系統(tǒng)標(biāo)定算法、自適應(yīng)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(bǔ)償算法，有效地解決了光亮表面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量中數(shù)據(jù)丟失的難題，為高動(dòng)態(tài)范圍光亮表面的三維測(cè)量，特別是復(fù)雜機(jī)加工零件的三維測(cè)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(guó)內(nèi)外光亮表

4、面的三維形貌測(cè)量方法，對(duì)現(xiàn)有的方法進(jìn)行歸納，比較，分析，同時(shí)指出該領(lǐng)域仍然存在的難點(diǎn)問題，明確本文的研究?jī)?nèi)容。
　　(2)針對(duì)目前廣泛使用的相移法在測(cè)量光亮表面時(shí)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(shí)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(jìn)行線移。而在圖

5、案解碼時(shí)，對(duì)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(diǎn)得到亞像素精度的邊緣坐標(biāo)，由此達(dá)到較高的空間分辨率。
　　(3)測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定是個(gè)復(fù)雜且耗時(shí)的過程，針對(duì)基于參考平面的系統(tǒng)標(biāo)定算法存在約束過強(qiáng)、標(biāo)定精度不高、可操作性差、需要定制特殊的標(biāo)定板等問題，提出一種基于特征點(diǎn)映射的系統(tǒng)標(biāo)定算法。把數(shù)字投影儀當(dāng)作逆向的相機(jī)，通過建立相機(jī)圖像像素和數(shù)字投影儀圖像像素之間的精確對(duì)應(yīng)關(guān)系，將相機(jī)拍攝的標(biāo)定板圖像中的特征點(diǎn)坐標(biāo)映射為數(shù)字

6、投影儀圖像坐標(biāo)，從而將數(shù)字投影儀參數(shù)標(biāo)定轉(zhuǎn)化為成熟的相機(jī)標(biāo)定，進(jìn)而將整個(gè)結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定轉(zhuǎn)化為雙目立體視覺系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定。
　　(4)針對(duì)目前在光亮表面三維形貌測(cè)量方面存在的自適應(yīng)測(cè)量問題，提出一種自適應(yīng)、高動(dòng)態(tài)范圍的結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量算法。通過建立光亮表面條紋圖案成像的數(shù)學(xué)模型，分析被測(cè)物體表面反射率、表面互反射和環(huán)境光照等因素對(duì)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(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)條紋圖案中每個(gè)像

7、素點(diǎn)的最佳投射灰度值，以克服由于被測(cè)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(fù)被測(cè)物體的三維形貌。
　　(5)在解相位過程中，針對(duì)條紋圖像的灰度分布非正弦化引起的相位誤差，通過對(duì)系統(tǒng)的非線性效應(yīng)進(jìn)行建模，在分析系統(tǒng)非線性響應(yīng)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(bǔ)償算法。從平面標(biāo)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(cè)量過程中，用于補(bǔ)償求得的