基于结构光的微小物体三维测量系统的设计及应用针对微小物体的三维轮廓测量是现代三维形貌测量的一个重要分支领域。自从上世纪六十年代在国外被首次提出后,国内外研究学者经过几十年的不断研究和发展,与其相关的测量技术与测量设备也获得了高速发展,进入21世纪以后,其被广泛应用于缺陷检测、精密制造、虚拟现实(VR)、机器视觉、医疗工程、影音游戏、三维打印以及现代教育等众多领域。但与国外现有的测量技术与设备相比较,国内目前还处在相对落后的局面。因此,研制出测量精度高、测量速度快、微型化以及更加智能化的微小物体三维轮廓测量系统迫在眉睫。 根据上述情况,本文针对微小物体的三维轮廓测量从两个方向展开研究。一方面,基于正弦光栅条纹投影和光学三角法的三维测量方法进行研究。另一方面,着眼于以体视显微镜和双远心镜头为主体的硬件测量系统的设计与搭建。具体研究内容如下:(1)针对微小物体的三维轮廓测量现有方法以及研究现状系统地调研。 对常规方法存在的问题进行归纳总结,明确了微小物体测量面临的困难与挑战。本文将从硬件系统搭建以及算法实现两个方面进行研究改进。(2)设计与搭建以体视显微镜和双远心镜头为主体的硬件测量系统。因体视显微镜可实现物体的立体成像,可观察区域范围大;双远心镜头因分辨率高,低畸变,景深大,在成像时能最大限度还原物体的形状信息。 因此,测量系统采用体视显微镜和双远心镜头为主体结构设计并搭建了测量系统,结合基于光学三角原理的正弦光栅条纹投影三维测量方法,在经过系统标定后,能顺利获取被测物体的三维轮廓信息,测量系统的视场范围可达 1.8cm*1.6 cm。(3)基于正弦光栅条纹投影和光学三角法的三维测量方法进行研究。本文选用无损伤、精度高、速度快、易实现的正弦光栅条纹投影结合光学三角法对微小物体表面的三维轮廓进行测量,详细阐述了其测量原理,提出了一种基于质量图引导的相位解包裹改进算法——可靠路径跟踪算法,在满足测量精度要求下,提高了系统整体测量速度;针对系统标定,基于一般成像模型引入了摄像机标定与系统标定方法,深入阐述了摄像机标定和系统标定的方法理论,完成了测量系统的整体标定。基于C++与MATLAB实现了相关算法。 进行了大量相关实验,验证了该测量方法的稳定性和有效性,实验结果表明
华中科技大学 硕士学位论文 面结构光三维测量系统的精度研究 姓名：杜宪 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：王从军 20090522
华中科技大学硕士学位论文 摘要 结构光测量系统在工业检测、人体测量、文物保护和反求工程等众多领域具有广泛的应用前景。国外的面结构光三维测量技术已相对成熟，但设备价格昂贵。国内也有一些单位开展了相关研究，但普遍存在着精度不高、稳定性差等缺点。为此，本文在简要介绍结构光三维测量技术原理的基础上，系统分析了光栅条纹数和数字光栅投影装置的伽马非线性对测量精度的影响，以期进一步提高课题组前期开发的三维测量系统的精度。 面结构光三维测量系统，首先使用相移法和多频外差原理进行稳定高精度的相位计算；然后根据预先标定的系统参数，从得到的相位灰度图重构出被测物体的三维点云数据。 由三维重构过程可知，光栅周期数的增加可以降低立体匹配的误差，本文通过理论推导和实验研究，分析了不同光栅周期数对系统测量精度的影响，并为系统选择了一个最优的光栅周期数。当周期数为110~120时，系统的测量精度最高，滤波后可达0.037mm。 此外，三维重构的精度还与相位计算的精度有关，根据现有研究，投影仪的伽马非线性是相位误差的主要来源。本文分析了不同伽马值和不同条纹周期数的测量精度，发现条纹周期数抑制了伽马非线性，提高了相位计算的精度。 最后，通过分析不同距离的平面精度、拟合标准球直径及距离等测量实验，表明系统的测量精度稳定可靠，绝对测量精度可达0.05mm。 关键词：结构光;光栅周期数;误差;非线性
华中科技大学硕士学位论文 Abstract Structured Light Measurement System (SLMS) is widely used in many fields such as industrial inspection, human body measurement, Protection of Cultural Relics and reverse engineering etc. In abroad, SLMS is well developped, but they are always expensive. In China, lots of research work has been made on it, but they are poor in accuracy and stability. So, this paper, which is based on a brief introduction of the structured light measurement technology, analyzes the impact of the period number of fringe pattern and gamma non-linear of Digital Projector, attempt to further improve the precision of pre-development measurement system. In our SLMS, phase-shifting method and multi-frequency heterodyne principle were imployed to obtain phrase gray map, then 3D data could be reconstructed base on the pre-calibrated parameters. According to the process of 3D reconstruction, we found that the increase of the period number of fringe pattern can reduce the error. So this paper analyzed the relationship between period number of fringe pattern and accuracy through theoretical research and experiments. Then we can conclude that the optimal period number is 110~120 and the SLMS gets the highest precision which is up to 0.037mm after filtering. In addition, the calculated phase value can also affect the accuracy of 3D reconstruction. According to research, gamma non-linear of projector is the main error source of the phase error. This paper analyzes 3D date by using different gamma values and different the period numbers of fringe pattern, then found that the period number of fringe pattern can inhibit the effect of the gamma non-linear of projector and improved the accuracy of the phase calculation. Finally, a series of measurement experiment, such as analyses of the accuracy in different distance and fitting diameter and distance of the standard ball, shows that the accuracy of system is stable and repeatability and the absolute measurement accuracy is 0.05mm. Key words: Structured light; Period number of fringe pattern; Error; Non-linear
3维光学扫描仪 三维光学扫描仪也称为结构光三维扫描仪。三维光学扫描仪是一种高速高精度的三维扫描测量设备，采用的是目前国际上先进的结构光非接触照相测量原理。 结构光三维扫描仪的基本原理是：采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。采用这种测量原理，使得对物体进行照相测量成为可能，所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图象，而研制的测量仪获得的是物体的三维信息。与传统的三维扫描仪不同的是，该扫描仪能同时测量一个面。测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理,解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。 结构光便携式照相测量仪的特点 1）精度高,扫描速度极快 2）一次得到一个面，测量点分布非常规则 3）单次测量范围大 4）便携，可搬到现场进行测量 6）可对无法放到工作台上的较重、大型工件（如模具、浮雕等）进行测量
7）大型物体分块测量、自动拼合 8）大景深 结构光三维扫描仪的典型应用 可用于包含下列应用的广泛领域： 逆向工程(RE)/快速成型(RP) 1）扫描实物，建立CAD数据；或是扫描模型，建立用于检测部件表面的三维数据。 2）模具设计 3）对于不能使用三维CAD数据的部件，建立数据。 4）个性化设计，如服装CAD。 5）使用由RP创建的真实模型，建立和完善产品设计。 6）有限元分析的数据捕捉。 威布三维https://www.doczj.com/doc/a37380880.html,，3D打印综合解决方案供应商。每时每刻，我们的用户都在使用我们的3D打印解决方案来开启各种创意之旅，并充满自信的攀登上专业与科技。 我们奋斗在3D打印领域的前沿已超过4年。我们帮助科研人员攻克一个又一个的技术难关让创新成为前进的动因。我们在教育领域让莘莘学子的科技视野与全球同步。我们在制造业让工业4.0与智能制造的理念深入人心。我们深受教师、设计师、制造商、服务者的广泛信赖。作为国际的创新合作伙伴，我们将智能科技与行业应用融为一体，并提供更加灵活多样的定制化方案，成就客户所需一直是我们致力于达成的使命。每一个行业的需求都是千变万化的。无论你的下
相位编码结构光三维测量技术研究 结构光(SL)技术由于其非接触,高分辨率,高速度和全场自动化的优点而被广泛开发用于三维(3D)测量。条纹投影轮廓术(FPP)是三维测量中应用最广泛的结构光技术之一,例如逆向工程、工业检测、制造和机器人导航。FPP系统将条纹图投影到被测物体上,并记录被物体调制后的变形条纹图,然后利用特定的条纹分析方法,使用处理/分析系统从记录的图像中计算出调制相位。提取相位的准确性直接影响被测物体的三维重建结果。 本论文旨在提高基于相位编码结构光的三维测量系统的性能,力图为条纹投影轮廓术拓宽实用范围奠定理论基础。针对投影仪非线性Gamma标定和矫正、分段量化相位编码方法和基于N步相移的三维测量方法等关键问题进行如下研究工作:1、研究了传统相位编码方法及其一系列改进方法。码字在基于相位编码的相位解包裹方法中具有重要意义,每个相位编码条纹用一个唯一的码字标记,然后用于确定条纹级次。然而,传统的相位编码方法相邻码字之间的差值为1,相邻码字之间的差值过小。 由于系统的非线性效应和离焦影响,在高频条纹情况下条纹级次的计算容易产生误差,从而导致相位展开误差。传统相位编码方法受到码字数量的限制,导致条纹数量不能过大,影响其测量精度。2、数字条纹的正弦性是影响测量精度的一个主要因素。在数字投影相移法中,相位误差主要来源于条纹图像的非正弦性,而条纹图像的非正弦性是由于商用投影仪的非线性Gamma效应产生的结果。 为此,本文在研究对比分析了各种方法的基础上,采用七阶多项式对投影和成像系统进行建模,确定投影仪非线性Gamma的反函数。并以此生成待投影的预矫正正弦条纹,最终成像系统可以捕获理想正弦条纹。3、为了使相位编码方法的条纹级次计算更准确,同时也为了提高其测量精度,本文提出了一种基于分段量化相位编码的三维测量方法,在不减小相邻量化相位值之间的差异或提高量化等级的情况下实现绝对相位恢复。量化相位由特定的编码序列S“135246”进行调制,然后将其嵌入到相位编码条纹图中,这大大提高了解码的精度。 编码时将整个区域分成多个子区域,每个子区域嵌入上述编码序列S,通过相应的解码算法计算出条纹级次,最终得到绝对相位。4、减少条纹投影轮廓术的条纹图数量一直是本领域的研究热点。相位编码方法或其他时域相位展开算法通
目前市面上的三维扫描仪（3D scanner）可谓是五花八门，各种款式多到足以让人眼花缭乱，在部分地区又被称为激光抄数机或者3D抄数机。其实3D建模扫描仪基本可分为两大类，手持式和拍照式。那么这两种基本的三维扫描仪又有什么样的区别呢？ 市场上三维扫描仪产品款式齐全，下面针对两种基本款式做了以下几点简单的概述。 手持式三维扫描仪原理:线激光手持三维扫描仪，自带校准功能，配有一部激光发射器和两个工业相机，工作时将激光线照射到物体上，两个相机来捕捉这一瞬间的三维扫描数据，由于物体表面的曲率不同，光线照射在物体上会发生反射和折射，然后这些信息会通过第三方软件转换为3D图像。在三维3D扫描仪移动的过程中，光线会不断变化，而软件会及时识别这些变化并加以处理。光线投射到扫描对象上的频率可高达数百万点每秒，所以在三维扫描过程中移动三维扫描仪，哪怕扫描时动作很快，也同样可以获得很好的扫描效果，手持式三维
扫描仪工作时使用反光型标记点贴，与三维扫描软件配合使用，支持摄影测量和自校准技术。 定位目标可以使操作员根据其需要的任何方式360°移动物体。真正便携，手持三维扫描仪可装入手提箱，携带到作业现场或者工厂，使用十分方便。 手持三维扫描仪可实现激光扫描技术的一些高数据质量，保持较高解析度，同时在平面上保持较大三角形，从而生成较小的STL文件。功能多样并方便用户使用，由于其尺寸小巧，所以可以在狭小空间内扫描几乎任何尺寸、形状或颜色的物体。 拍照式三维扫描仪扫描原理类似于照相机拍摄照片而得名,是为满足工业设计行业应用需求而研发的产品,，它集高速扫描与高精度优势，可按需求自由调整测量范围，从小型零件扫描到车身整体测量均能完美胜任，具备极高的性能价格比。目前已广泛应用于工业设计行业中。 拍照式结构光三维扫描仪是一种高速高精度的三维扫描测量设备，采用的是结构光非接触照相测量原理。结构光三维扫描仪的基本
结构光三维扫描仪与三坐标测量机的优势对比 结构光三维扫描仪优势特点： ★非接触式扫描——非接触式三维光学扫描方式，可针对外观复杂、自由曲面、柔软易变形或易磨损等物体进行扫描 ★扫描速度极快——每次扫描一个立体三维特征面，经全方位扫描后，获得物体表面三维数据，扫描时间短，效率极高 ★全自动拼接——自动识别标志点的精确方位，多次扫描结果自动拼合，拼接工作更快更精确，没有拼接累计误差 ★精度高——独特的标定技术可使单面精度可达4μm，精度检测方法依据德国光学扫描仪检验标准V I V E 6 4D / D 2 3 制定 ★景深大——单次扫描覆盖大范围景深，适合景深较大的物体 ★便携式设计——简洁、轻便的产品设计使系统各部件容易拆装，携带方便 ★操作简单——仅需短期培训( - 天)2 3 即可熟练操作 ★环境影响要求宽泛——无需在暗室中进行操作，正常环境光对扫描系统没有影响，露天环境亦可操作 ★输出数据接口广泛——扫描所得点云数据可输出为A C T 、I S B 等，可直接与多种软件进行数据交互。 应用范围： 1. 工业产品造型中的逆向三维重建，设计的物理模型转换成数字模型 2. 产品三维型面检测、零部件形状扫描、变形检测、工业在线检测 3. 人体数字化、服装CAD、人体建模、人体数字雕塑、三维面容识别 4. 医学仿生、足型扫描、个性化鞋定制、整形美容及正畸的模拟与评价 5. 数学博物馆、有形文物及档案的管理、鉴定与复制 6. 三维动画影片的制作、3D游戏建模、三维游戏中三维模型的输入与建立 7. 公安刑侦、脚印、工具痕迹、弹痕采集及数字化
医学仿真 当代，医疗外科手术、牙齿矫形手术等对于患者而言是件重 要的大事，一旦失败或是其它小的闪失都会给患者带来不适与痛 处，随之带来的就是生活和心里的打击。故此，成功的外科手术、 整形手术的有力进行，是解救患者痛处、减少压力负重的良方， 成功的外科手术至此变得是至关重要。 1．牙科-义齿 传统的义齿加工是由技师根据患者的颌骨形态靠经验手工 制作出来的，由于精度无法达到要求，制作出来的义齿存在无法 避免的误差，佩戴到患者口腔内后，会 有不舒适的感觉。同时，此种方法修复 过程费时费力、返修率高、制作周期长， 精度难以保障。 采用win3D系列牙科扫描系统，可以快速、准确、全面地获 取牙齿的三维数据，结合数控加工设备直接将牙齿模型制作出来，彻底改进了传统牙齿的修复过程，提高了义齿的设计制作精度，大幅度的缩短制作周期 2. 假肢 传统假肢的制作完全依靠手工制作，它的精确性和准确性难以 保障，患者佩戴不配套的假肢后会很不舒适，并且制作周期长，效 率低，成本消耗非常高。 采用win3D系列三维扫描仪， 能够对患者肢体的形状、围长等重 要的数据进行扫描获取，假肢制作 师会根据数据模型进行加工修改， 确定尺寸和形状后，直接将数据模 型送去加工，缩短了制作周期，减 少了在修改中的不必要损失。
一种基于机器视觉的结构光三维扫描系统 0 引言 随着制造技术的快速发展和制造领域的不断扩大，使得对制造产品的质量要求也越来越高。传统意义上很多对产品的检测方法已经不能适应现代制造业的要求。计算机视觉检测技术具有操作、维护简单，测量速度快，精度高，测量范围广等众多无可比拟的优点，被认为是检测技术领域中最具有发展潜力的技术。机器视觉被称为自动化的眼睛，在国民经济、科学研究及国防建设上都有着广泛的应用。机器视觉不但可以实现无接触观测，还可以长时间保持精度，因此，机器视觉系统可以广泛应用于长时间的、恶劣的环境。 在此探讨了线性结构光三维扫描系统的特点。设计一种能够测量物体深度的结构光三维扫描系统，通过图像处理技术对激光条纹进行提取，并建立数学模型，采用三角法测量方法获取深度信息，对工件图像进行重建。最后，实验结果验证了该系统的有效性。 1 基于机器视觉的结构光三维扫描系统模型结构光测量是将激光器发出的光束经过光学系统形成某种形式的光，包括点、单线、多线、单圆、同心多圆、网格、十字交叉、灰度编码图案、颜色编码图案和随机纹理投影等投向景物，在景物上形成特定的图案，并通过图像处理，对图案进行提取，然后根据三角法进行计算，从而得到景物表面的深度信息。根据投射光图案的种类可分为单点法、单线法和图案法。1．1 系统的硬件结构设计 如图 1 所示，文中所设计的结构光三维扫描系统由3大部分组成，分别 是运动平台、激光器和摄像机。系统的运动平台由导轨丝杠机构成，丝杠上的滑块带动工件左右运动，丝杠由伺服马达驱动。摄像机垂直于导轨运动平面。激光器和摄像机与摄像机呈固定角度安装。激光器所射出的线形光斑垂直于工件的运动方向。激光器与摄像机的相对角度可以调节，调节范围由20~?45。之间。运动平台行程为100 mm,图像分辨率为0. 2 mm/pixel。 1．2 系统的数学模型建立 系统的数学模型如图2所示。工件放置于运动平台上，摄像机垂直安装在运动平台正上方，激光与水平面的夹角B,激光器产生一字的线性结构光， 由于物体表面与运动平台的高度差，条形光斑同时照射在物体上的A处和平台的B处。用摄像机获得光斑的图像，经图像采集卡输入至计算机，经过图像处理，可以测量出点A与点B的距离d,根据三角法公式tan 9 =H/d,可以通过光斑间距d 计算出工件的高度H。因此物坐标和像坐标对应关系为：其中：xg，yg，zg 分别为物坐标；k 为像素一毫米转换系数；xi ，yi 分别为图像坐标。 2 结构光光斑提取的相关理论与方法 从系统的数学模型可知，物体的深度信息H主要受9和d的影响，而9主要表现为系统误差。因此，有必要对条纹间距d进行深入研究，以提高系统的精度。其主要包括：图像增强、图像二值化以及图像细化。 2．1 图像增强图像增强主要增加图像的对比度，突出图像中的高频部分。算法描述为：设原图像的灰度级为x，其最大和最小灰度级分别为xmax和xmin期望图像
本技术公开了一种结构光三维测量方法，属于计算机视觉技术领域；方法包括：步骤S1，采用深度预测模型对目标物体的表面形成的第一变化图像进行预测，得到目标物体的深度图像；步骤S2，根据不同相移的第二变化图像，计算每一点的主值相位，并利用深度图像，对第二变化图像中每一点的主值相位进行相位展开处理，以得到连续相位场的分布图；步骤S3，采用标定的系统参数对连续相位场的分布图进行处理，以得到得到目标物体的表面每一个三维点的坐标，从而实现对目标物体的三维测量。上述技术方案的有益效果是：能够减少投射图像的数量，提高空间编码的效率和质量，最终获得高精度的三维测量结果。 权利要求书 1.一种结构光三维测量方法，采用投影装置先后将伪随机图案和具有不同初始相位的标准余弦分布的光栅条纹图案投射到目标物体的表面，随后采用相机装置记录所述目标物体的表面经投射形成的图像；其特征在于，会预先训练形成一深度预测模型，所述深度预测模型的输入数据为投射所述伪随机图像后在所述目标物体的表面形成的一第一变化图像，输出数据为预测得到的所述目标物体的深度图像； 所述光栅条纹图案投射到所述目标物体的表面并形成对应的第二变化图像； 所述结构光三维测量方法具体包括： 步骤S1，采用所述深度预测模型对所述目标物体的表面形成的所述第一变化图像进行预
测，得到所述目标物体的所述深度图像； 步骤S2，根据不同相移的所述第二变化图像，计算每一点的主值相位，并利用所述深度图像，对所述第二变化图像中每一点的主值相位进行相位展开处理，以得到连续相位场的分布图； 步骤S3，采用标定的系统参数对所述连续相位场的分布图进行处理，以得到所述得到目标物体的表面每一个三维点的坐标，从而实现对所述目标物体的三维测量。 2.如权利要求1所述的结构光三维测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括： 步骤S21，根据所述第一变化图像中得到的每一点的初始点云坐标以及所述深度图像分别处理得到每一点的空间点坐标； 步骤S22，根据所述空间点坐标分别处理得到每一点的相位初值； 步骤S23，根据每一点的所述相位初值分别处理得到每一点的条纹级数； 步骤S24，根据每一点的条纹级数对每一点上根据所述第二变化图像计算得到的所述主值相位进行相位展开，以得到所述连续相位场的分布图。 3.如权利要求2所述的结构光三维测量方法，其特征在于，所述步骤S21中，根据所述第一变化图像中每一点的所述初始点云坐标以及所述深度图像，采用双线性插值方法分别处理得到每一点的所述空间点坐标。 4.如权利要求2所述的结构光三维测量方法，其特征在于，所述步骤S22具体包括： 步骤S221，根据所述空间点坐标得到对应点在在投影平面上的投影坐标系中的投影点坐标； 步骤S222，根据所述投影点坐标处理得到对应点的所述相位。
结构光三维视觉测量 1、应用简介结构光视觉方法的研究最早出现于20 世纪70 年代。在诸多的视觉方法中，结构光三维视觉以其大量程、大视场、较高精度、光条图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特点，近年来在工业三维测量领域得到了广泛的应用。 2、系统设计原理、方框图、原理图结构光三维视觉是基于光学的三角法测量原理。如图所示，光学投射器（可以是激光器，也可以是投影仪）将一定模式的结构光投射于物体的表面，在表面形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像。该三维图像由处于另一位置的摄像机摄取，从而获得光条二维畸变图像。光条的畸变程度取决于取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面形廓（高度）。直观上，沿光条显示出的位移（或偏移）与物体的高度成比例，扭结表示了平面的变化，不连续显示了表面的物理间隙。当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由畸变的二维光条图像坐标便可重现物体表面的三维形廓。结构光三维视觉测量系统由光学投射器、摄像机、和计算机系统三部分构成。根据光学投射器所投射的光束模式的不同，结构光模式可分为点结构光模式、线结构光模式、多线结构光模式和网格结构光模式。线结构光模式复杂度低、信息量大，应用最为广泛。下图为线结构光打在标定板和被测物体的光条图像。 3、选型原则、精度分析结构光视觉传感器的测量精度受诸多因素的影响，如摄像机本身的光学物理参数、光学投射器特征参数、传感器本身的结构参数及外界干扰源等等。在摄像机、光学投射测量环境一定的情况下，测量系统的结构参数对测量精度影响很大。实验和相关理论推导表明，测量点的定位误差和系统结构相关性如下：1）摄像机光轴和光 平面垂直时，深度方向的测量误差最小。2）摄像机与光学投射器距离越远， 测量误差越小。3）摄像机镜头放大倍率越小，测量误差越小；这也表面被测
1结构光技术 干涉测量法 干涉测量法(Interferometry)是常用的高精度、高分辨率测量方法之一，它是利用光的干涉原理对物体进行测量的。当物体波前与参考波前满足干涉条件时，物体波前与 参考波前发生干涉产生干涉条纹，从干涉条纹形变情况可以测出被测物体的几何形状(5]0 传统的干涉测量法多采用条纹细化技术得到千涉条纹中心，然后检测条纹中心相对参考 基准的偏移量来计算物体的几何形状。由于计算条纹中心位置的误差较大，所以采用此 方法的测量误差较大。随着激光技术的发展，出现了双光束干涉、多光束干涉、外差干涉、全息千涉等方法。全息干涉测量对测量环境的要求较高，系统侧量稳定性易受到光 学散斑、震动、湿度、气压以及温度等因素影响，若采用共光路设计和同时相移技术， 可以有效地抑制震动对测量结果的影响。 2. 4结构光法 结构光方法((Structured Light)是一种主动式光学测t技术，其基本原理是由结构 光投射器向被测物体表面投射可控制的光点、光条或光面结构，并由图像传感器(如摄 像机)获得图像，通过系统几何关系，利用三角原理计算得到物体的三维坐标。结构光 测量方法具有计算简单、体积小、价格低、大盆程、便于安装和维护的特点，在实际三 维轮廓测量中被广泛使用，但是测量精度受物理光学的限制，存在遮挡问题，测量精度 与速度相互矛盾，难以同时得到提高。 光点式结构光测量方法需要通过逐点扫描物体进行测量，图像摄取和图像处理需要 的时间随着被测物体的增大而急剧增加，难以完成实时测量。用线结构光代替点光源， 只需要进行一维扫描就可以获得物体的深度图，图像获取和图像处理的时间大大减少 (io)。如图为线结构光的示意图，利用辅助的机械装置旋转光条投影部分，从而完成 对整个被测物体的扫描。 当采用光面结构光时，将二维的结构光图案投射到物体表面上，这样不需要进行扫 描就可以实现三维轮廓测量，测量速度很快，光面结构光中最常用的方法是投影光栅条 纹到物体表面[}m,i2}。如图所示为面结构光的示意图。 当投影的结构光图案比较复杂时，为了确定物体表面点与其图像像素点之间的对应 关系，需要对投射的图案进行编码，因而这类方法又称为编码结构光测量法。图案编码 分为空域编码和时域编码。空域编码方法只需要一次投射就可获得物体深度图，适合于
3D-SCAN高精度便携式扫描仪 MD-3DSCAN高精度便携式扫描仪，它能对物体进行高速高密度测量，输出三维点云（Point Cloud)供进一步后处理用。在中国南方，三维扫描俗称抄数，因此MD-3DSCAN高精度便携式扫描仪是一种高性能的抄数机。 MD -3DSCAN高精度便携式扫描仪是一种非接触测量设备，能对任何材料的物体表面进行数字化测量，如工件、模型、模具、雕塑、人体等。 MD-3DSCAN高精度便携式扫描仪原理 采用一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术，所以MD-3DSCAN高精度便携式扫描仪又称为“结构光三维扫描仪”。 采用这种测量原理，使得对物体进行照相测量成为可能，所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图象，而研制的测量仪获得的是物体的三维信息。与传统的三维扫描仪不同的是，该扫描仪能同时测量一个面，如果把传统的逐点扫描测量称为第一代，以激光线扫描仪为代表的称为第二代的话，则这种面扫描测量仪可称为第三代三维扫描仪。 测量时光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理,解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。 MD-3DSCAN高精度便携式扫描仪可随意搬至工件位置做现场测量,并可调节成任意角度作全方位测量,对大型工件可分块测量,测量数据可实时自动拼合,非常适合各种大小和形状物体(如汽车,摩托车外壳及内饰,家电,雕塑等)的测量。
1）不但可得到物体高精度外形点云数据，还可以得到逼真的彩色纹理，具有重要的应用和科研价值 2）扫描速度极快，数秒内可得到100多万点 3）具有全自动拼接的功能,大型物体分块测量、自动拼合。 4）不用喷涂显像剂即可对扫描物体进行扫描。 5）一次得到一个面，测量点分布非常规则。 6）精度高，可达0.03mm。 7）单次测量范围大（激光扫描仪一般只能扫描50mm宽的狭窄范围 8）便携，可搬到现场进行测量 9）无需采用附加贴图的方法就可以同时得到具备色彩信息的真实三维数据10）可对无法放到工作台上的较重、大型工件（如模具、浮雕等）进行测量。11）大景深(激光扫描仪的扫描深度一般只有100多毫米，而HJ-3DSCAN高精度便携式扫描仪的扫描深度可达300~500mm) ·不用喷涂显像剂即可对待扫描物体进行扫描，针对明暗不同的物体均可扫描 12）能扫描软物体，如树叶、橡皮泥、皮肤等
计算机时代2018年第9期 0引言 近年来，3D打印技术与虚拟现实技术的快速发展，为3D测量与数字建模技术打开了广阔的应用市场。结构光三维扫描仪因其扫描精度高、测量速度快、获取的点云密集等特点，被广泛应用于工业检测、机械仿制、文物保护等领域。尽管相关产品已广泛投放市场，但对于初涉该项技术的研究者和开发者而言，公开发表的相关技术资料还非常稀少。有鉴于此，本文介绍了一款结构光栅三维扫描仪的设计过程，为研究者和应用开发者搭建实验平台提供一些参考，有助于推广结构光3D扫描技术在我国的应用。 1主要部件选型 所开发的结构光三维扫描仪由双目相机、光栅投影仪两个主要光电部件构成。 ⑴光栅投影机 出于性能考虑，本文采用巨维达PDC03型结构光栅投影机[1]。其主板输入输出接口如图1 所示。 ①MiniUSB接口②外触发输出接口 图1PDC03型结构光栅投影机 DOI:10.16644/https://www.doczj.com/doc/a37380880.html,33-1094/tp.2018.09.001 一款结构光三维扫描测量装置的设计 魏茂1，王修竹2，刘涌2 (1.中共绵阳市委党校，四川绵阳621000；2.西南科技大学计算机科学与技术学院) 摘要：结构光三维扫描仪具有高速度、高精度、获取的点云密集等特点，得到了市场的广泛认可，广泛应用于精细化测量领域。基于时间相位展开算法和双目视觉原理，利用工业相机和光栅投影仪构建了一套结构光栅三维扫描测量实验装置，较为全面地阐述了设计方案和设计步骤，为从事三维结构光测量的研究者和应用开发者提供了一种参考方案。实验结果表明，该装置能够有效地支持结构光扫描，具有较高的测量精度。 关键词：三维测量；结构光栅投影；立体视觉；测量装置 中图分类号：TP391文献标志码：A文章编号：1006-8228(2018)09-01-03 Design of a structured light3D scanning measurement device Wei Mao1,Wang Xiuzhu2,Liu Yong2 （1.Party College of Mianyang Committee of CCP,Mianyang,Sichuan621000,China; 2.School of Computer Science and Technology,Southwest University of Science and Technology） Abstract：Structured light3D scanner has been widely recognized in the market and used in three-dimensional measurement fields because of its characteristics of high speed,high precision and dense point cloud.In this paper,a set of experimental device for 3D scanning measurement of structural grating is constructed using industrial camera and grating projector based on temporal phase unwrapping and stereo vision.The specific design scheme and design steps are described in detail,which provides a reference scheme for researchers and application developers engaged in3D structural light measurement.The experimental results show that the device can effectively support structured light scanning and has high measurement accuracy. Key words：three-dimensional measurement；structured grating；stereo vision；measurement device · ·1
第31卷 第2期 2008年4月 电子器件 Chinese J ournal Of Elect ron Devices Vol.31 No.2Ap r.2008 3D Measurement T echnology by Structured Light B ased on F ringe Edge Decoding 3 YU X i ao 2y ang 3 ,W U H ai 2bi n (College of Measurement 2Control T ech &Communications Engineering ,Harbin University of Science and T echnology ,Harbin 150080,China ) Abstract :The key p roblem in 3D visio n measurement based o n st ruct ured light is to acquiring projecting angle of p rojecting light accurately.Based on t riangle equation ,met hod for acquiring projecting angle by encoding and decoding wit h f ringe edge of Gray code is p resented.The met hod encoded wit h even Gray code f ringe and decoded wit h pixel point located by a sub 2pixel location met hod named edge 2directed ,so in 2herent one 2bit decoding error was removed.Accuracy of image sampling point location and correspondence between image sampling point and object sampling point achieved sub 2pixel degree.In addition ,measure 2ment error caused by dividing projecting angle irregularly by even 2widt h encoding fringe was analysed and corrected.Finally ,3dsmax and Matlab software were used to simulate measurement system and recon 2struct measured Indicated by experimental result s ,measurement error is about 0.05%.K ey w ords :3D measurement ;st ruct ured light ;Gray code ;f ringe edge EEACC :6140C 基于条纹边缘解码的结构光三维测量技术3 于晓洋3,吴海滨 (哈尔滨理工大学测控技术与通信工程学院,哈尔滨150040) 收稿日期:2007201224 基金项目:国家自然科学基金资助(60572030);教育部博士学科点专项科研基金资助(20050214006);黑龙江省教育厅海外学 人资助项目(1055HZ027);哈尔滨市科技攻关计划项目资助(2005AA1CG152);黑龙江省研究生创新科研资金项目资助(Y J SCX20052238HLJ ) 作者简介:于晓洋(19622),男,教授,博士生导师; 吴海滨(19772),男,讲师,在读博士生,主要从事机械量检测、光电检测、三维视觉检测方向的研究. 摘 要:基于结构光的三维视觉测量关键问题之一就是如何准确地获取投射光的投射角。本文结合三角法公式提出了基于 Gray 码边缘编码解码的投射角求取方法。该方法采用等宽Gray 码条纹进行编码,采用一种基于边缘导向的亚像素定位技术 提取条纹边缘,用其上象素点进行解码,消除了Gray 码固有的一位解码误差,同时将图像采样点定位准确度和图像采样点与物面采样点的对应准确度提高到亚像素级。此外,分析了等宽编码条纹对投射角划分不平均导致的测量误差,并加以修正。最后,利用3dsmax 、Matlab 软件仿真了测量系统,重构出被测表面。实验结果表明,测量误差约为0.05%。 关键词:三维测量;结构光;Gray 码;条纹边缘中图分类号:TH 741 文献标识码:A 文章编号:100529490(2008)022******* 光学三维测量技术是获取物体三维信息最有效的手段之一,不需接触被测物表面、高采样密度是其主要优点。光学三维测量技术中,结构光编码法以其准确度高、测量速度快、成本低等优点在三维重构、工业测量等领域有着广泛的应用前景。 基本的结构光测量系统由一个投射器和一个摄 像机组成,二者的空间位置相对固定,如图1所示。投射器P 向被测物投射点、线光束或编码图案,摄像机C 获取被测物的强度图像后将其送入计算机,再结合系统参数计算出被测物面若干采样点的空间坐标,进而重构出其三维形貌。 式(1)为被测物面采样点的空间坐标表达式。
铁牛科技主页 什么是三维扫描仪 定义：快速获取物体的立体彩色信息并将其转化为计算机能直接处理的三维数字模型的仪器。即：快速实现三维信息数字化的一种极为有效的工具。 三维扫描仪的分类：接触式三维扫描仪；非接触式三维扫描仪； 接触式三维扫描仪： 其点优是：1具有较高的准确性和可靠性； 2配合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何形状。 其缺点是：1测量费用较高； 2探头易磨损且容易划伤被测物体表面； 3测量速度慢；检测一些内部元件有先天的限制； 4接触探头在测量时，接触探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数； 5由于探头触发机构的惯性及时间延迟而使探头产生超越现象，趋近速度会产生动态误差。 非接触式三维扫描仪：
1非接触式的光电方法对曲面的三维形貌进行快速测量已成为大趋势； 2对物体表面不会有损伤； 3相比接触式的具有速度快，容易操作等特征，三维激光扫描仪可以达到5000－10000点/秒的速度，而照相式三维扫描仪则采用面光，速度更是达到几秒钟百万个测量点，应用与实时扫描，工业检测具有很好的优势。 非接触式三维扫描仪分为：照相式；激光式两种； 1激光式扫描仪属于较早的产品，由扫描仪发出一束激光光带，光带照射到被测物体上并在被测物体上移动时，就可以采集出物体的实际形状。 2照相式扫描仪是针对工业产品涉及领域的新一代扫描仪，与传统的激光扫描仪和三座标测量系统比较，其测量速度提高了数十倍。由于有效的控制了整合误差，整体测量精度也大大提高。其采用可见光将特定的光栅条纹投影到测量工作表面，借助两个高分辨率CCD 数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短时间内获得复杂工作表面的完整点云。其独特的流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术使扫描不需要借助于机床的驱动，扫描范围可达12M，而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。其高质量的完美扫描点云可用于汽车制造业中的产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制，甚至可实现直接加工。 三维扫描仪的应用：工业设计制鞋行业精密雕刻行业汽车工业玩具行业模具制造行业数码设计行业工艺品行业动漫设计行业动漫设计行业服装设计行业文物保护与古董修复 陶瓷卫浴行业家电产品设计医学与人体美容珠宝饰品设计教育行业等行业 三维扫描仪原理 三维扫描仪(3D scanner) 是一种科学仪器，用来侦测并分析现实世界中物体或环境的形状（几何构造）与外观数据（如颜色、表面反照率等性质）。搜集到的数据常被用来进行三维重建计算，在虚拟世界中创建实际物体的数字模型。这些模型具有相当广泛的用途，举凡工业设计、瑕疵检测、逆向工程、机器人导引、地貌测量、医学信息、生物信息、刑事鉴定、数字文物典藏、电影制片、游戏创作素材等等都可见其应用。