基于相移法的结构光三维测量技术

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。

：　论坛Ｆ（）㈨Ｍ　

结构光三维测量技术　

在模具设计与制造过程中的应用　

Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　Ｌｉｇｈｔ　３Ｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

ｉｎ　Ｍｏｕｌｄ＆Ｄｉｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　

华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室　史玉升李中伟钟　凯王从军　

黑龙江科技学院现代制造工程中心程俊延　

史玉升　博士。博士生导师，华中科技大学特　聘教授。现任华中科技大学快速制造　中心主任．华中科技大学材料科学与工　程学院副院长　材料成形与模具技术国　家重点实验室副主任、中英先进材料及　成形技术联合实验室副主任。长期从　事先进成形和三维测量技术领域的教　学和科研工作。　

随着现代制造业的快速发展，航　

空航天、汽车等大型制造业对质量控　

制提出了更高的要求，且由于这些行　业的产品一般大而重，往往需要将质　

量问题在现场实时解决。正是基于　

４８航空制造技术·２００９年第２０期　结构光三维测量技术作为一种快速、便携、高精度　

的三维测量技术，在汽车、航空　模具，医疗及康复工程、　

家用电器、工业设计、工艺品制作以及儿童玩具等领域　

均得到了广泛的应用并得到了用户的一致认可，已成为　

种成熟的三维数据获取和质量评价与控制的手段。　

这种需求，近２０年来各种便携式光　

学三维测量技术相继问世，其中结构　光三维测量技术由于具有便携性强、　

测量速度快、测量精度高等优点，已　

成为目前使用最为广泛的一种三维　测量技术川。　

结构光三维测量技术　发展现状　

１９８５年，位于德国Ｍｕｎｉｃｈ—　

Ｋａｒｌｓｆｅｌｄ的Ｍ．Ａ．Ｎ．光学测量技　

术中心率先利用相移干涉法（Ｐｈａｓｅ　Ｓｈｉｆｔ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ，ＰＳＩ）实现了　

变形测量和振动分析　。１９８６年，　

该中心的研究人员Ｄｒ．Ｂｒｅｕｃｋｍａｎｎ　

将ＰＳＩ技术引入三维形貌测量，　形成了一种新的三维形貌测量技　术：相位测量轮廓术（ＰＭＰ）。并　

第１８卷第１１期　

２０１０年ｌ１月　光学精密工程　

Ｏｐｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｖｏｌ＿１８　Ｎ０．１１　ＮＯＶ．２０１０　

文章编号　１００４—９２４Ｘ（２０１０）１１－２４９７—０８　

彩色梯度相移与格雷码相结合的三维测量方法　

单鹂娜，于晓洋，于　双，吴海滨，陈德运　

（哈尔滨理工大学测控技术与仪器黑龙江省高校重点实验室，黑龙江哈尔滨１５００８０）　

摘要：为了实现高分辨率快速非接触式三维测量，将彩色梯度相移法与格雷码相结合，提出了三维测量算法。将一幅彩　

色梯形三步相移图案和两幅彩色格雷码图案相结合，对测量空间进行编解码；通过两幅彩色格雷码图案将测量空间可靠　

地分成６４个子空间，通过一幅重复彩色梯形三步相移图案将每个子空间分成６个区域，每个区域再通过强度比细分到　

像素级。给出了编码图案和解码公式，组建了彩色结构光三维测量系统，并分别采用彩色梯形相移法和本文提出的方法　

对深度为７ＯＯ～９５０　ｒｉｍ的平面进行了仿真和实际测量。理论分析、仿真与实际测量结果表明，得到的测量平均误差ｄ０．　

９　ｍｍ，测量标准差＜１．２　ｍｍ。最后，采用本文方法对石膏和人体进行了测量实验，结果显示该方法具有抗干扰能力强、　

运算速度快的优点。　

关键词：彩色梯形相移；格雷码；强度比；三维测量　

中图分类号：ＴＰ３９１：ＴＢ９２　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１０１８ｎ．２４９７　

Ｔｈｒｅｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｃｏｌｏｒ　

ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ　ｐｈａｓｅ。。ｓｈｉｆｔｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｃｏｌｏｒ　ｇｒａｙ　ｃｏｄｅ　

ＳＨＡＮ　Ｌｉ—ｎａ，ＹＵ　Ｘｉａｏ—ｙａｎｇ，ＹＵ　Ｓｈｕａｎｇ，ＷＵ　Ｈａｉ—ｂｉｎ，ＣＨＥＮ　Ｄｅ—ｙｕｎ　

（Ｈｉｇｈｅｒ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎａｌ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ＆Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　

基于多频外差原理的三维测量技术黄燕钧1,2,李中伟2,史玉升2,王从军2(1.梧州学院计算机与电子信息工程系,广西梧州543002;2.华中科技大学材料成形与模具技术国家重点试验室,湖北武汉430074)󰀁󰀁摘󰀁要:提出了一种基于外差原理的三维测量技术,该技术由相位移法、外差原理和双目立体视觉3部分组成。相位移法和外差原理相结合能够自动完成相位展开,同时保持相移法原有的相位求解精度;然后根据相位展开后的相位图,使用双目立体视觉原理自动完成左、右对应点的立体匹配和被测物体的点云重构。利用基于多频外差原理的三维测量技术建立了一套三维测量系统,该系统由2个CCD摄像机和1个DLP投影仪组成。利用上述系统对人脸模型进行测量试验,测量结果表明该系统能够完成复杂自由曲面的测量,测量数据完整可靠。关键词:光学测量;相位测量;外差原理;相位展开中图分类号:TG806󰀁󰀁文献标志码:A󰀁󰀁相位测量技术是一种重要的三维测量方法,具有较高的测量精度,近年来,国内外众多学者在这一领域进行了大量的研究。利用相位法原理进行三维物体轮廓测量,关键是要得到光栅的相位信息,然后从相位中提取出所包含的高度信息。目前获得相位的方法有很多种,其中最常用的方法有相移(Phase-Shifting)法和FTP(FourierTransformProfilometry)法。虽然这2种方法所采取的求解过程不同,但是最终都是利用反正切函数求解相位值,因此直接得到的相位都包含在区间[-PI,PI]内,这样得到的数据并非相位的真实值,需要将包裹的相位解开,得到真实的相位值。目前常用的相位展开方法为格雷(Gray)码法,其优点是条纹定级非常方便,直接根据黑白分布求得格雷码,再解码便获成功,算法实现简单,易于实现产品化。但是格雷码法存在以下缺点:1)格雷码只是用于对测量幅面的分级,对计算物体的相位没有帮助,无法提高测量精度;2)对测量工件的表面明暗比较敏感,黑白交界处容易受到噪声的干扰,一般要喷显影剂才能测量,无法测量较暗的工件,无法测量表面剧烈变化的工件。针对格雷码法的缺陷,国内外学者进行了大量研究,提出了采用查找表法的双频相移技术和贝叶斯估计法的双频相移技术,但是实际测量效果均不理想。本文提出了一种基于多频外差原理的三维测量技术,该技术由相位移法、多频外差原理和双目立体视觉3部分组成。相位移法和多频外差原理相结合能够自动完成相位展开,同时保持相移法原有的相位求解精度;然后根据相位展开后的相位图,使用双目立体视觉原理自动完成左右对应点的立体匹配和被测物体的点云重构。1󰀁外差相位光栅技术基本原理1.1󰀁相移法基本原理在投影栅相位检测法中,投射的是正弦光栅,当投影编码光栅到被测物体表面时,在物体表面上形成变形光栅,假设投影光强是标准正弦分布,则变形光栅图像的光强分布函数为:I(x,y)=k{a(x,y)+b(x,y)cos[󰀁(x,y)+󰀁]}(1)Ii(x,y)=I󰀁(x,y)+I󰀁(x,y)cos[󰀁(x,y)+󰀁i](2)[参考文献][1]谢龙汉,单岩.CATIAV5逆向造型设计[M].北京:清华大学出版社,2004.[2]林清福,李建.CATIAV5R13逆向工程产品设计[M].北京:中国铁道出版社,2007.[3]王建勇,贺炜,刘言松,等.逆向工程技术及其实物反求应用[J].机床与液压,2005,5:34-36.[4]王雪晶,吕卫强.逆向工程中点云数据去噪算法的研究[J].兵工自动化,2007,10:39-40.[5]林峰.逆向工程及其关键技术[J].数字化设计,2003,9:32-34.作者简介:胡伟蓉(1964-),女,高级试验师,学士,主要从事机械CAD/CAM的教学和研究。收稿日期:2008年06月20日责任编辑󰀁吕菁󰀁37󰀁󰀁新技术新工艺󰀁󰀂数字技术与机械加工工艺装备󰀁2008年󰀁第12期󰀁󰀁其中I(x,y)为物体在(x,y)点上的光强,a(x,y)和b(x,y)为与背景相关的光波振幅,k=2󰀁/󰀁称为波系数,󰀁(x,y)为(x,y)的相位,是物体形状的函数。因此,从变形光栅中解算出相位值是实现三维物体形貌检测的关键技术之一。目前在解相方面使用较多的是相移法和频域处理法,两种方法各有优势和适用范围,本文使用相移法。相移法是一种比较成熟的技术,目前相移法主要使用N步相移法,它直接在空间域内对图像进行数学处理。N步相移法将光栅在栅线的垂直方向上平移栅距的1/N,则式(1)的光强表达式中相位将移动2󰀁/N,等距离平移N-1次,获得N幅图像。当N=4时,各步光强函数为:I1=k{a(x,y)+b(x,y)cos[󰀁(x,y)]}(3)I2=k{a(x,y)-b(x,y)sin[󰀁(x,y)]}(4)I3=k{a(x,y)-b(x,y)cos[󰀁(x,y)]}(5)I4=k{a(x,y)+b(x,y)sin[󰀁(x,y)]}(6)由式(3)至式(6)可得:󰀁(x,y)=tg-1I4-I2I1-I3-󰀁<󰀁󰀁󰀁(7)四次相移法是目前应用最广泛的一种相移方法,它具有能够消除检测器的偶次谐波(含常数项)影响的优点。在投影光栅的相移方法中,记录图像中的每个像素可以得到一个相对相位󰀁(又称相位主值),在1个相位周期内它是唯一的,但是在整个测量空间中该值不唯一,因此必须对空间点的相对相位值进行展开(PhaseUnwrapping)。图1󰀁外差原理1.2󰀁外差原理外差原理是指将2种不同频率的相位函数󰀁1(x)和󰀁2(x)叠加得到1种频率更低的相位函数󰀁b(x),如图1所示,其中󰀁1、󰀁2和󰀁b分别为相位函数󰀁1(x)、󰀁2(x)和󰀁b(x)对应的频率。󰀁b(x)的频率󰀁b经过计算可表示为:󰀁b=󰀁1󰀁2󰀁1-󰀁2(8)1.3󰀁相位展开外差原理可以用来对空间点的相对相位值进行展开,为了在全场范围内无岐义地进行相位展开,必须选择合适的󰀁1和󰀁2值,使得󰀁b=1。如图2所示,在图像的全场范围内,tan󰀁1,tan󰀁b的比值等于投影图像的周期数比(设为R1,是个常量),可采用下式对󰀁1(x)进行相位展开:󰀁m=󰀁1+O1(x)󰀁2󰀁(9)其中:O1(x)=󰀁(x)󰀁R1-󰀁1(x)2󰀁。2󰀁使用外差相位光栅技术的3D测量系统2.1󰀁3D测量系统结构简介本文所用的测量系统由2个CCD摄像机和1