基于相位測(cè)量輪廓術(shù)的三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)研究.pdf

1、相位測(cè)量輪廓術(shù)是目前使用最為廣泛的一種光學(xué)三維輪廓測(cè)量技術(shù)，具有測(cè)量速度快、易自動(dòng)化、柔性好和全場(chǎng)測(cè)量的特點(diǎn)，在工業(yè)檢測(cè)、質(zhì)量控制、逆向工程、生物醫(yī)學(xué)、虛擬現(xiàn)實(shí)、文物保護(hù)、人體測(cè)量等眾多領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。近十年來，相位測(cè)量輪廓術(shù)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(cè)量輪廓術(shù)中與提高系統(tǒng)測(cè)量精度相關(guān)的關(guān)鍵算法，構(gòu)建三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)相位計(jì)算是相位測(cè)量輪廓術(shù)的基礎(chǔ)研究內(nèi)容之一，

2、由光柵圖像計(jì)算得到的相位值可以較輕易的確定攝像機(jī)和投影儀之間對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配關(guān)系。本文詳細(xì)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(diǎn)基礎(chǔ)之上，選取穩(wěn)定性較強(qiáng)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(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配運(yùn)算的精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明多頻外差方法能夠?qū)Ρ砻娌贿B續(xù)物體以及具有復(fù)雜表面反射率、紋理的物體進(jìn)行有效的相位展開，基于極線約束的對(duì)應(yīng)點(diǎn)匹配計(jì)算可以重建得到高精度的物體表面輪廓三維坐標(biāo)。
　　(2)在光學(xué)三維輪廓

3、測(cè)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(gè)考慮環(huán)境光參數(shù)的相位誤差數(shù)學(xué)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(bǔ)償方法。理論分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同環(huán)境光情況下，測(cè)量得到的相位誤差幅度也會(huì)發(fā)生變化。本文提出的相位誤差補(bǔ)償方法可以有效地消除相位誤差。
　　(3)系統(tǒng)標(biāo)定算法是光學(xué)三維輪廓測(cè)量技術(shù)的關(guān)鍵算法之一。本文介

4、紹了攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定的主要方法，系統(tǒng)分析了攝像機(jī)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(zhuǎn)化為攝像機(jī)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，并采用雙目立體視覺標(biāo)定方法優(yōu)化內(nèi)部參數(shù)以及標(biāo)定外部參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此標(biāo)定方法可以獲得較高的參數(shù)標(biāo)定精度以及系統(tǒng)測(cè)量精度，測(cè)量精度達(dá)到0.1mm。
　　(4)在基于立體視覺原理的三維測(cè)量系統(tǒng)中，相機(jī)、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(duì)

5、系統(tǒng)敏感度會(huì)產(chǎn)生一定的影響。本文分別基于三角測(cè)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(guān)系，提出了可以使得系統(tǒng)敏感度最高的光柵角度的計(jì)算方法。仿真與實(shí)際測(cè)量表明，存在一個(gè)光柵角度，使投影光柵的相位變化方向與相機(jī)-投影儀基線平行，此時(shí)系統(tǒng)敏感度最高。
　　本文基于雙相機(jī)-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(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jié)果顯示本文研