高动态范围光亮表面的结构光三维形貌测量方法研究与实现

摘要

结构光三维测量技术目前在工业检测/质量控制、逆向工程（复杂自由曲面的数字化）、物体识别、文物保护、医学和虚拟现实等领域得到了广泛应用。通过该技术可以准确获得工件的几何形貌信息，为先进制造、自动装配、表面检测等提供有效的指导;另一方面，将工件的三维点云与CAD模型或已有三维数据进行比对，可检测出工件的形变，为质量控制、应力分析、碰撞测试等提供更加完整和更容易理解的可视化分析手段。然而，现有的结构光三维测量技术在应用中仍然存在一些问题，比如要求测量时环境光照限制在一定范围内，被测物体必须是漫反射表面，且表面反射率变化范围不大。而工业生产中有大量金属工件以铣削加工为主，经过加工处理后工件的表面会变得十分光亮，若直接对这种光亮表面进行测量，则镜面反射之后的光会太强，造成相机图像传感器饱和，丢失条纹图像高光区域的条纹信息，以致难以正常进行测量;另一方面，由于相机的动态范围有限，对于反射率较低的区域，则会造成条纹过暗，大幅降低测量精度。针对这些问题，本文系统地研究了结构光图案编码、相位误差补偿、系统标定和高动态范围条纹图像的获取等多个关键技术，提出一种自适应、高动态范围结构光三维测量新方法，包括线移法编码结构光图案、基于特征点映射的系统标定算法、自适应调节条纹图案的最佳投射灰度值和基于平滑样条拟合的相位误差补偿算法，有效地解决了光亮表面结构光三维测量中数据丢失的难题，为高动态范围光亮表面的三维测量，特别是复杂机加工零件的三维测量，提供了有效的解决途径。本文主要内容概括如下:
　　(1)深入调研国内外光亮表面的三维形貌测量方法，对现有的方法进行归纳，比较，分析，同时指出该领域仍然存在的难点问题，明确本文的研究内容。
　　(2)针对目前广泛使用的相移法在测量光亮表面时面临图像饱和、互反射和噪声灵敏度高等问题，在深入研究空间编码方法、时间编码方法、相移法等结构光图案编码原理的基础上，提出一种面向光亮表面的快速、鲁棒、高空间分辨率的线移法。为了使生成的图案比正弦条纹图案更可靠，使用格雷码生成正反黑白条纹图案，并像相移法一样进行线移。而在图案解码时，对采集的条纹图像边缘的非线性轮廓做线性插值，通过求解交点得到亚像素精度的边缘坐标，由此达到较高的空间分辨率。
　　(3)测量系统标定是个复杂且耗时的过程，针对基于参考平面的系统标定算法存在约束过强、标定精度不高、可操作性差、需要定制特殊的标定板等问题，提出一种基于特征点映射的系统标定算法。把数字投影仪当作逆向的相机，通过建立相机图像像素和数字投影仪图像像素之间的精确对应关系，将相机拍摄的标定板图像中的特征点坐标映射为数字投影仪图像坐标，从而将数字投影仪参数标定转化为成熟的相机标定，进而将整个结构光三维测量系统的参数标定转化为双目立体视觉系统的参数标定。
　　(4)针对目前在光亮表面三维形貌测量方面存在的自适应测量问题，提出一种自适应、高动态范围的结构光三维测量算法。通过建立光亮表面条纹图案成像的数学模型，分析被测物体表面反射率、表面互反射和环境光照等因素对采集的条纹图像的影响，提出两种生成条纹图案最佳投射灰度值算法，实现自适应调节条纹图案中每个像素点的最佳投射灰度值，以克服由于被测物体表面反射率、表面互反射和环境光照等因素引起的高光和黑暗，从而获得清晰的条纹图像，恢复被测物体的三维形貌。
　　(5)在解相位过程中，针对条纹图像的灰度分布非正弦化引起的相位误差，通过对系统的非线性效应进行建模，在分析系统非线性响应及相位空间分布特征的基础上，提出一种基于平滑样条拟合的相位误差补偿算法。从平面标定板的条纹图像中提取相位误差并构建相位误差查找表，并在后续测量过程中，用于补偿求得的相位。对补偿后仍然存在的残余相位误差，使用平滑样条拟合的方法对相位进一步做光顺处理。
　　(6)在前述理论与技术研究的基础上，设计、开发面向高动态光亮表面测量的结构光三维测量系统。采用Qt应用程序开发框架和OpenCV计算机视觉库开发测量软件，实现系统各项功能模块。最后通过具体的应用实例，验证本系统的检测功能及相关算法的有效性。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1．研究背景及意义

1．2．光亮表面三维形貌测量方法的研究现状及分析

1．2．1．基于多个曝光量的测量方法

1．2．2．基于投射图案亮度调节的测量方法

1．2．3．基于条纹反射的测量方法

1．2．4．基于极化的测量方法

1．2．5．基于双色反射模型的测量方法

1．2．6．其它测量方法

1．3．论文的主要研究内容

2．1．引言

2．2．空间编码方法

2．2．1．基于De Bruijn序列的方法

2．2．2．基于伪随机阵列的方法

2．3．时间编码方法

2．3．1．二进制编码方法

2．3．2．多进制编码方法

2．4．相移法

2．4．1．三步相移算法

2．4．2．最小二乘算法

2．4．3．Carré算法

2．4．4．Hariharan算法

2．4．5．相位展开算法

2．5．其它方法

2．6．面向光亮表面的线移法研究

2．6．1．基于条纹边缘的编码策略

2．6．2．条纹边缘检测

2．7．线移法实验与结果分析

2．8．本章小结

3．1．引言

3．2．系统标定算法概述

3．3．相机数学模型

3．3．1．小孔成像模型

3．3．2．镜头畸变

3．4．数字投影仪数学模型

3．5．基于参考平面的系统标定

3．6．基于特征点映射的系统标定算法研究

3．6．1．相机参数标定

3．6．2．基于特征点映射的数字投影仪参数标定

3．6．3．系统标定

3．6．4．三维坐标获取

3．7．系统标定算法实验与精度评价

3．7．1．系统参数标定过程

3．7．2．标定精度评价

3．8．本章小结

第四章 自适应条纹亮度的高动态范围结构光三维测量算法

4．1．引言

4．2．光亮表面光照模型及测量难点

4．3．自适应条纹亮度的高动态范围结构光三维测量算法研究

4．3．1．逆向求解条纹图案的最佳投射灰度值算法

4．3．2．直接合成条纹图案的最佳投射灰度值算法

4．4．自适应测量算法的评价与分析

4．4．1．完整性评价

4．4．2．测量精度分析

4．4．3．测量效率评价

4．5．本章小结

第五章 基于平滑样条拟合的相位误差补偿算法

5．1．引言

5．2．非线性伽马模型

5．3．数字投影仪离焦效应

5．4．相位误差分析

5．5．基于平滑样条拟合的相位误差补偿算法研究

5．6．相位误差补偿算法实验与结果分析

5．6．1．系统非线性响应分析

5．6．2．相位空间分布特征分析

5．6．3．相位误差补偿结果

5．7．本章小结

第六章 高动态范围结构光三维测量系统开发

6．1．引言

6．2．三维测量系统组成

6．2．1．硬件部件的主要参数

6．2．2．镜头选择

6．2．3．系统几何结构设计

6．3．系统软件设计

6．4．系统测量实例与结果分析

6．4．1．光亮工件检测实例

6．4．2．玩偶三维测量实例

6．5．本章小结

总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢