基于數(shù)字光柵投影的結構光三維測量技術與系統(tǒng)研究.pdf

1、相位測量輪廓術是目前使用最為廣泛的一種結構光三維形貌測量技術，在工業(yè)檢測、質(zhì)量控制、逆向設計、醫(yī)學、虛擬現(xiàn)實、文物數(shù)字化和人體測量等眾多領域具有廣泛的應用前景?，F(xiàn)有的商品化相位測量設備多使用物理光柵作為光柵圖像投射裝置，開發(fā)和使用成本昂貴，限制了該技術在中小企業(yè)的推廣和應用。為此，本文對基于數(shù)字光柵投影的相位測量輪廓術中的相位計算、相位誤差補償、系統(tǒng)參數(shù)標定、相位-高度映射和彩色紋理獲取等關鍵問題進行系統(tǒng)研究，力圖開發(fā)出適合中小企業(yè)的低

2、成本、高精度、高穩(wěn)定性的，可同時獲取被測物體三維形貌和彩色紋理的結構光三維測量系統(tǒng)，并擴展其應用范圍。
　　 相位計算包括相位主值計算和相位展開兩個過程，是相位測量輪廓術的基礎內(nèi)容。本文系統(tǒng)介紹了現(xiàn)有的相位移原理和相位展開算法，并在對比各算法優(yōu)缺點的基礎上，選擇使用四步相移算法和多頻外差原理進行相位主值計算和相位展開，并通過實驗驗證了本文所選的算法能夠準確的完成復雜物體和表面不連續(xù)物體的相位計算。
　　 在相位計算過程中

3、，光柵圖像非正弦化是相位誤差的主要來源。本文系統(tǒng)闡述了光柵圖像的非正弦化過程，通過理論分析、模擬實驗和實際測量，分析了非正弦化引起的相位誤差的特征，并在此基礎上，提出了一種基于相位誤差查找表的通用相位誤差補償算法。實驗結果表明本文算法能夠有效減小相位誤差、提高測量精度。
　　 系統(tǒng)參數(shù)標定是結構光三維測量技術中的關鍵問題之一，其標定精度直接決定后續(xù)三維重建的精度。為此，本文提出了一種簡單、高精度的系統(tǒng)參數(shù)標定算法。該算法通過建立

4、精確的相機圖像與投影儀圖像的對應關系，賦予投影儀間接“拍攝”圓形標定點圓心坐標的能力，從而將復雜的投影儀參數(shù)標定問題轉(zhuǎn)化為成熟的攝像機參數(shù)標定，并將整個測量系統(tǒng)的參數(shù)標定轉(zhuǎn)換為成熟的雙目立體視覺系統(tǒng)的參數(shù)標定。此算法簡單、有效，標定精度高，標定后系統(tǒng)的絕對測量精度可達0.05mm，相對測量精度可達1:5000。
　　 雖然上述系統(tǒng)參數(shù)標定算法可以得到較高的測量精度，但是標定過程中很難為系統(tǒng)（尤其是投影儀）找到一種完全合適的投影模

5、型，從而限制了測量精度的進一步提高。為此，本文嘗試利用神經(jīng)網(wǎng)絡強大的函數(shù)逼近能力來建立系統(tǒng)的相位-高度映射關系。介紹了本算法所使用的神經(jīng)網(wǎng)絡結構和訓練原理，并詳細說明了樣本采集的過程。通過對比誤差補償前后神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的收斂速度和訓練精度，證明了由光柵圖像非正弦化引起的相位誤差對網(wǎng)絡訓練精度有明顯影響，該對比實驗同時也證明了本算法由于在樣本采集和后續(xù)測量過程中可以方便的對相位誤差進行補償，不受光柵圖像非正弦化的影響，穩(wěn)定性強。最后通過測量

6、實驗對比了本算法和系統(tǒng)標定算法的測量精度，實驗結果表明基于神經(jīng)網(wǎng)絡的相位-高度映射算法的測量精度更高。
　　 在文物復制、醫(yī)學圖像、虛擬現(xiàn)實等領域，彩色紋理也包含了非常重要的信息，因此在測量被測物體三維形貌的同時還要獲取物體表面的彩色紋理。本文在色彩空間定義的啟發(fā)下，使用三種顏色的圖像來合成被測物體的彩色紋理，賦予黑白相機獲取彩色紋理的能力，并提出了一種簡單的彩色紋理優(yōu)化算法來改善彩色紋理的質(zhì)量。
　　 以上研究構成了一