碩士學(xué)位論文基于單相機(jī)的數(shù)字光柵投影三維掃描技術(shù)研究REASEARCHON3DSCANNINGTECHNIQUESBASEDONSINGLECAMERADIGITALFRINGEPROJECTION學(xué)科專(zhuān)業(yè)機(jī)械電子工程論文題目基于單相機(jī)的數(shù)字光柵投影三維掃描技術(shù)研究學(xué)科專(zhuān)業(yè)機(jī)械電子工程摘要三維光學(xué)掃描測(cè)量技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)檢測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量控制、生物醫(yī)學(xué)、人體測(cè)量、文物數(shù)字化等眾多領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用。然而商用光學(xué)三維測(cè)量設(shè)備多采用物理光柵，其高昂的價(jià)格限制了其在一些企業(yè)的推廣和應(yīng)用，而采用數(shù)字光柵卻帶來(lái)了數(shù)字化過(guò)程中的畸變；同時(shí)，基于光柵投影的三維光學(xué)測(cè)量研究也主要集中在基于雙相機(jī)的雙目視覺(jué)領(lǐng)域，對(duì)于單相機(jī)的三維光學(xué)掃描技術(shù)的研究較少。本文對(duì)這種基于單相機(jī)的數(shù)字光柵投影三維光學(xué)掃描技術(shù)進(jìn)行了研究提出一種基于單相機(jī)的數(shù)字光柵投影三維測(cè)量技術(shù)，該技術(shù)主要包括相位移技術(shù)、多頻外差原理、系統(tǒng)標(biāo)定技術(shù)以及單相機(jī)和投影儀立體匹配技術(shù)。分析了不同相移算法的相位解算的誤差，實(shí)現(xiàn)了四步相移法和多頻外差法求解光柵條紋圖絕對(duì)相位值，實(shí)驗(yàn)證明本文選取的四步相移法和多頻外差法能夠精確的解算出絕對(duì)相位。實(shí)現(xiàn)了光柵圖像的非正弦化引起的相位計(jì)算誤差的校正方法。闡述了光柵圖像的非正弦化過(guò)程，分析光柵非正弦化的形成原因，并通過(guò)理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證了非正弦化引起的相位計(jì)算誤差，在此基礎(chǔ)上，提出了一種光柵圖像非正弦化誤差的校正方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該方法能夠有效減小相位誤差、提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。實(shí)現(xiàn)了單相機(jī)和投影儀組成的三維測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定。在單相機(jī)投影儀光柵測(cè)量系統(tǒng)中，投影儀的標(biāo)定標(biāo)定是其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。結(jié)合單相機(jī)光柵測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)精確建立相機(jī)圖像和投影儀圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，賦予投影儀“拍攝”標(biāo)志點(diǎn)圓心的能力，從而將投影儀參數(shù)標(biāo)定轉(zhuǎn)換為成熟的攝像機(jī)標(biāo)定，進(jìn)而將整個(gè)結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定轉(zhuǎn)化為雙目視覺(jué)系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)表明這是一種可行的高精度的標(biāo)定方法。關(guān)鍵詞單相機(jī)三維測(cè)量；光柵投影；相位計(jì)算；相位誤差校正；投影儀標(biāo)定論文類(lèi)型應(yīng)用研究TITLEREASEARCHON3DMEASURINGKEYTECHNIQUESBASEDONSINGLECAMERADIGITALFRINGEPROJECTIONSPECIALITYMECHANICALANDELECTRONICENGINEERINGAPPLICANTXIAOBOLIUSUPERVISORPROFJINLIANGABSTRACTTHE3DOPTICALMEASUREMENTTECHNIQUEBASEDONDIGITALFRINGEPROJECTIONISTAKENASANEWNONCONTACTTECHNIQUETOACCESSTHEOBJECTSSURFACEPROFILEDATAFROMTHEMOMENTITWASCOMEOUT,SPECIALATTENTIONWASPAIDONITATPRESENT,THEREHAVEBEENLOTSOFRESEARCHESONTHE3DOPTICALMEASUREMENTTECHNIQUETHISTECHNIQUEISWIDELYUSEDININDUSTRIALPRODUCTAUTOMATICDETECTION,PRODUCTIONQUALITYCONTROL,BIOMEDICINE,ANTHROPOLOGICALMEASURING,CULTURALRELICDIGITAL,ETCANDTHISALSOPROMOTESTHEDEVELOPMENTOFTHETECHNIQUERAPIDLYTHECOMMERCIAL3DOPTICALMEASUREMENTISMADEOFPHYSICALGRATINGWHICHISVERYEXPENSIVE,SOTHISLIMITSTHEAPPLICATIONANDDEVELOPMENTINSOMEENTERPRISESTHERESEARCHBASEDONGRATINGPROJECTIONMAINLYFOCUSESONBINOCULARVISIONFIELDBASEDONDOUBLECAMERATHERESEARCHON3DOPTICALMEASUREMENTTECHNIQUEBASEDONSINGLECAMERAISVERYLITTLETHISPAPERSTUDIESONTHEKEYTECHNOLOGYOF3DOPTICALMEASUREMENTTECHNIQUEWHICHBASEDONSINGLECAMERADIGITALGRATINGPROJECTIONANDTHISRESEARCHRESULTSHASBEENAPPLIEDINTHEACTUALMEASUREMENTTHISPAPERPROPOSED3DMEASUREMENTTECHNIQUEBASEDSINGLECAMERAWHICHCONTAINSPHASEDISPLACEMENTTECHNOLOGY,MULTIRATEHETERODYNEPRINCIPLE,SYSTEMCALIBRATIONTECHNOLOGYANDSINGLECAMERASANDPROJECTORSTEREOMATCHINGTECHNOLOGYPHASECALCULATIONISTHEKEYFOUNDATIONOFTHEPHASEPROFILOMETRYRESECTIONTECHNIQUEPHASEDISPLACEMENTTECHNOLOGYANDMULTIFREQUENCYHETERODYNEARETHEKEYTECHNOLOGYOFTHEPHASECALCULATIONTHISPAPERSTUDIESTHEERROROFMANYPHASEDISPLACEMENTALGORITHMCALCULATETOCALCULATINGOFGRATINGSTRIPEPHASETHEEXPERIMENTSHOWSTHATTHEFOURSTEPSPHASESHIFTMETHODTHISPAPERCHOOSECANCALCULATETHEPHASEPRINCIPLEVALUESOFOBJECTSACCURATELYANDTHEPHASEUNWRAPPEDCALCULATIONOFOBJECTSISCALCULATEDACCURATELYWHENITCOMBINESWITHMULTIRATEHETERODYNEMETHODTHISPAPERFINDSOUTABEARINGCALIBRATIONFORTHEERROROFPHASECALCULATIONCAUSEDBYTHENONSINUSOIDALDIGESTIONOFGRATINGIMAGETHISPAPERANALYSESTHENONSINUSOIDALELECTROLYZINGPROCESSOFGRATINGIMAGETHEPHASECALCULATINGERRORCAUSEDBYNONSINUSOIDALISPROVEDBYTHETHEORETICALANALYSISANDSIMULATEDEXPERIMENTANALYSISANDBASEDONTHIS,THISPAPERPUTSFORWARDAKINDOFBEARINGCALIBRATIONFORTHEERROROFNONSINUSOIDALIMAGETHEEXPERIMENTSHOWSTHATTHISCALCULATIONCANDECREASETHEPHASEERRORANDENHANCETHEMEASUREMENTACCURACYOFTHESYSTEMTHISPAPERRESEARCHESTHECALIBRATIONTECHNIQUEOF3DMEASURINGSYSTEMWHICHINCLUDESSINGLECAMERAANDPROJECTORTHEPROJECTORISTAKENINTOTHESUBSEQUENTPHASECALCULATIONAND3DRECONSTRUCTION,SOBOTHOFTHECAMERAANDTHEPROJECTORNEEDTOBEDEMARCATEDTAKETHESTRUCTUREOFSINGLECAMERAGRATINGMEASURINGSYSTEMINTOCONSIDERATION,ANDESTABLISHTHECORRESPONDINGRELATIONSHIPOFCAMERAIMAGEANDPROJECTORIMAGEPRECISELY,THEPROJECTORISGIVENTHEABILITYTO“SHOOT”INDEXPOINTASTHECENTEROFACIRCLECHANGETHEPROJECTORPARAMETERCALIBRATIONINTOVIDICONCALIBRATION,ANDTHENCHANGETHELIGHTMEASUREMENTSYSTEMPARAMETERCALIBRATIONOFTHEENTIRESTRUCTUREINTOBINOCULARVISIONSYSTEMPARAMETERCALIBRATIONTHEEXPERIMENTHASSHOWNTHATTHISISAHIGHPRECISIONANDFEASIBLECALIBRATIONMETHODKEYWORDS3DSCANNINGONSINGLEDITIGALCAMERAFRINGEPROJECTIONPHASECALCULATIONPHASEERRORCORRECTIONPROJECTORCALIBRATIONTYPEOFTHESISAPPLICATIONRESEARCH目錄1緒論111引言112研究背景113三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r2131國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀3132國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀4133國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)514課題來(lái)源和研究意義6141課題來(lái)源6142研究意義615研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線7151研究?jī)?nèi)容7152技術(shù)路線816本文結(jié)構(gòu)安排82單相機(jī)光柵掃描測(cè)量原理與相位計(jì)算1021引言1022單相機(jī)光柵投影三維測(cè)量原理10221單相機(jī)光柵投影三維測(cè)量系統(tǒng)介紹10222單相機(jī)光柵測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量原理1123相位計(jì)算12231數(shù)字相移法12232多頻外差相位展開(kāi)1424本章小結(jié)173數(shù)字光柵投影非正弦校正1831引言1832光柵非正弦和誤差分析18321相位誤差來(lái)源18322相位誤差分析19323模擬實(shí)驗(yàn)分析2233非正弦相位誤差校正26331光柵正弦化校正方法26332正弦化校正試驗(yàn)分析2934本章小結(jié)314系統(tǒng)標(biāo)定與三維重建3241引言3242攝像機(jī)標(biāo)定32421攝像機(jī)成像模型32422攝像機(jī)標(biāo)定方案3343投影儀標(biāo)定3544三維重建3845系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果3946本章小結(jié)405實(shí)驗(yàn)與分析4151實(shí)驗(yàn)條件與條紋亮度分析41511實(shí)驗(yàn)條件41512條紋亮度分析4252三維測(cè)量實(shí)驗(yàn)分析43521人臉模型的測(cè)量結(jié)果43522啞鈴球的測(cè)量結(jié)果45523影響三維重建精度的主要因素4853本章小結(jié)486結(jié)論與展望4961結(jié)論4962展望49致謝51參考文獻(xiàn)52聲明CONTENTS1PREFACE111FORWORD112RESEARCHBACKGROUND113RECENTDEVELOPMENTATHOMEANDABROADSUBJECT2131RECENTDEVELOPMENTATHOME2132RECENTDEVELOPMENTATABRODRESEARCHSIGNIFICANCE2133SUMMARYOFTHERECENTDEVELOPMENT314SOURCEANDRESEARCHSIGNIFICANCE4141SOURC4142RESEARCHSIGNIFICANCE415RESEARCHCONTENTANDTECHNOLOGYROUTE5151RESEARCHCONTENT5152TECHNOLOGYROUTE5153FEASIBILITYANALYSIS616FRAMEWORK62SINGLECAMERAFINGESCANNINGMEASUREMENTPRINCIPLEANDPHASECALCULATION921FORWORD922SINGLECAMERAFINGESCANNINGMEASUREMENTPRINCIPLE9221INTRODUCTIONOFSINGLECAMERAFINGESCANNINGMEASUREMENTSYSTEM9222INTRODUCTIONOFSINGLECAMERAFINGESCANNINGMEASUREMENTPRINCIPLE1023PHASECALCULATION11231DIGITALPHASESHIFTMETHOD11232MULTIFREQUENCYHETERODYNEPHASEUNWRAPPING1224BRIEFSUMMARY153CORRECTIONOFNONSINUSOIDALOFDIGITALFRINGEPROJECTION1731FORWORD1732ERRORANALYSISOFNONSINUSOIDALGRATING17321SOURCEOFPHASEERROR17322ANALYSISOFPHASEERROR1733CORRECTIONOFTHENONSINUSOIDALPHASEERROR2434BRIEFSUMMARY284SYSTEMCALIBRATIONANDTHREEDIMENSIONALRECONSTRUCTION2941FORWORD2942CAMERACALIBRATION29421THEMODELOFCAMERAIMAGING29422THEPROGRAMOFCAMERACALIBRATION3043PROJECTORCALIBRATION3144THERECONSTRUCTIONOFABSOLUTEPHASETO3DCOORDINATES3443THERESULTOFPROJECTORCALIBRATION3545BRIEFSUMMARY355EXPERIMENTANDANALYSIS3751FOREWORD3752THECONDITIONSOFTHEEXPERIMENTANDTHEANALYSISOFINTENSITYOFFRINGE37521THECONDITIONSOFTHEEXPERIMENT37522THEANALYSISOFINTENSITYOFFRING3853THEANALYSISOFTHEMEASUREMENTOFTHEOBJECT3955BRIEFSUMMARY426CONCLUSIONSANDSUGGESTIONS4361CONCLUSIONS4362SUGGESTIONS43ACKNOWLEDGEMENTS45REFERENCES47DECLARATION的MATHTYPE的章標(biāo)記（打印前將其字體顏色變?yōu)榘咨?，在打印預(yù)覽中看不見(jiàn)即可）1緒論11引言三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)作為一種新興的快速測(cè)量方法，為工業(yè)產(chǎn)的測(cè)量和檢測(cè)、文物數(shù)字化、人體學(xué)醫(yī)模型測(cè)量等帶來(lái)了新的途徑，同時(shí)在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用也促進(jìn)了光學(xué)測(cè)量技術(shù)的快速發(fā)展1。傳統(tǒng)的工業(yè)測(cè)量方法如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，采用接觸式的測(cè)量方法，測(cè)量被測(cè)物體表面的關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，這種方法雖然直觀、易操作、測(cè)量精度比較高，但是仍然存在檢測(cè)速度慢，被測(cè)物表面點(diǎn)數(shù)據(jù)量不夠，特別是存在對(duì)整個(gè)曲面數(shù)據(jù)的采集不足的缺點(diǎn)。本文研究一種基于單相機(jī)的數(shù)字光柵三維掃描測(cè)量技術(shù)，并應(yīng)用于實(shí)際測(cè)量，特別是在文物數(shù)字化方面，單相機(jī)的結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)能發(fā)揮較好的作用，文物一般不能?chē)娡?，并且文物表面特征多，雙目測(cè)量存在死區(qū)大，掃描的點(diǎn)云存在孔洞多的缺陷，這給單相機(jī)的結(jié)構(gòu)光測(cè)量提供了發(fā)揮空間。在這種基于單相機(jī)的光柵測(cè)量技術(shù)中，因?yàn)槲锢砉鈻女a(chǎn)生的光柵條紋具有更好的正弦性，光柵質(zhì)量更高，一直在科學(xué)研究使用，但在推向市場(chǎng)商品化過(guò)程中因?yàn)槲锢砉鈻诺某杀靖?，阻礙了其在更廣的領(lǐng)域應(yīng)用，且物理光柵操作起來(lái)比較麻煩，在很多時(shí)候更適合于采用數(shù)字化產(chǎn)生的光柵，然而光柵在數(shù)字化過(guò)程中卻帶來(lái)了畸變，降低了光柵的質(zhì)量，影響測(cè)量的精度，需要采用一定的措施來(lái)降低這種數(shù)字化過(guò)程中的畸變影響。同時(shí)在傳統(tǒng)的單相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中采用了單目視覺(jué)原理，這種方法存在約束過(guò)強(qiáng)，可操作性差的問(wèn)題，這都影響到該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，而把雙目視覺(jué)技術(shù)引入到單相機(jī)投影儀系統(tǒng)中可以提高系統(tǒng)的可操作性和測(cè)量精度。本章首先介紹了單相機(jī)的數(shù)字光柵三維測(cè)量的研究背景和國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，然后闡述了本課題的來(lái)源和研究意義，最后說(shuō)明了本文的主要研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路線以及全文結(jié)構(gòu)安排。12研究背景制造業(yè)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展水平已經(jīng)成為當(dāng)前衡量一個(gè)國(guó)家科技發(fā)展程度的重要標(biāo)準(zhǔn)2?，F(xiàn)代測(cè)量技術(shù)是制造業(yè)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)，測(cè)量技術(shù)在一定程度上決定了制造業(yè)乃至整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展水平35。傳統(tǒng)的幾何量如角度、長(zhǎng)度、直線度、平面度的測(cè)量方法和手段已經(jīng)比較豐富和完整。隨著先進(jìn)制造技術(shù)水平的提高，過(guò)去傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)?nèi)容和測(cè)量方法已經(jīng)不能滿足需要，物體的三維尺寸、表面形貌的獲取成為人們?cè)跍y(cè)量領(lǐng)域一個(gè)新的重要的研究方向69?；跀?shù)字光柵的三維掃描測(cè)量技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)得到了較多的研究，在國(guó)內(nèi)也得到了越來(lái)越多的重視和研究。數(shù)字光柵三維掃描測(cè)量技術(shù)是一種光學(xué)的非接觸式的測(cè)量手段，通過(guò)向被測(cè)物體投影人為設(shè)定的光柵，用相機(jī)同步拍攝物體的光柵圖像，分析拍攝得到的物體的光柵圖像可以快速準(zhǔn)確的獲得物體表面密集的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，此方法不僅在逆向工程領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用，也廣泛應(yīng)用在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和對(duì)比分析等。這種方式具有非接觸、對(duì)工件無(wú)損害、采集數(shù)據(jù)量大、掃描速度快、精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在很多方面都超過(guò)了傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量系統(tǒng)，大大提高了生產(chǎn)效率。光柵三維測(cè)量技術(shù)目前研究最多的是基于雙目視覺(jué)原理的，在這方面的研究已經(jīng)很成熟了，在市場(chǎng)上已經(jīng)推出了幾款基于雙目測(cè)量原理的雙相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)。但是這些系統(tǒng)一般市場(chǎng)消失價(jià)格較為高，嚴(yán)重限制了這一先進(jìn)的逆向設(shè)計(jì)和全局尺寸測(cè)量檢測(cè)設(shè)備在推廣使用，并且雙相機(jī)測(cè)量中存在必須兩個(gè)相機(jī)能同時(shí)拍攝到測(cè)量區(qū)域的基本要求，對(duì)于某些細(xì)小特征無(wú)法滿足上述要求從而產(chǎn)生測(cè)量死區(qū)，掃描的點(diǎn)云將產(chǎn)生孔洞。本文分析并研究基于單相機(jī)的數(shù)字光柵測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)，改變傳統(tǒng)雙相機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)，使結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，操作更方便，測(cè)量死區(qū)更少，并致力于開(kāi)發(fā)新的適合中小企業(yè)使用的低成本、高質(zhì)量的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，為廣大中小企業(yè)開(kāi)發(fā)適合自己的新產(chǎn)品，提升自身創(chuàng)造力，提升企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供一定技術(shù)支持。13三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r三維測(cè)量技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展已經(jīng)有很多的測(cè)量方法涌現(xiàn)，按照是否與被測(cè)物體接觸方式分，可分為接觸式三維測(cè)量方法和非接觸式三維測(cè)量方法，接觸式測(cè)量方法中主要有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，這種方法采用機(jī)械移動(dòng)式，測(cè)量的精度較高，但是對(duì)于表面不能接觸或者表面接觸容易產(chǎn)生變形的物體無(wú)法測(cè)量，非接觸式測(cè)量方法主要有光學(xué)的、聲學(xué)的、磁學(xué)的方式，研究較為深入，應(yīng)用較為廣泛。三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)作為一種新興物體表面數(shù)據(jù)測(cè)量和三維形貌測(cè)量方法，從誕生之初，便受到了人們的極高重視，得到了廣泛的研究。它改變了傳統(tǒng)的接觸式三維測(cè)量方法，采用非接觸式的光學(xué)方法，測(cè)量速度快，精度高，顯現(xiàn)出良好的優(yōu)勢(shì)。光學(xué)測(cè)量技術(shù)是近年來(lái)得到迅速發(fā)展的一種較新的測(cè)試技術(shù)。20世紀(jì)60年代以來(lái)，激光技術(shù)的推出大大擴(kuò)展了光學(xué)測(cè)量的研究和應(yīng)用。在全息干涉、散斑照相與干涉、云紋和云紋干涉對(duì)應(yīng)力分析、位移與振動(dòng)沖擊的測(cè)量，溫度、流量、表面粗糙度、三維形狀的測(cè)量以及工業(yè)無(wú)損檢測(cè)等方面激光測(cè)量都得到了全面的發(fā)展，成為測(cè)量技術(shù)中一個(gè)不可缺少的重要方面。這些光學(xué)測(cè)量技術(shù)的重要特點(diǎn)是非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、高測(cè)量靈敏度以及大動(dòng)態(tài)范圍（時(shí)間和空間）。這些光學(xué)測(cè)量技術(shù)在初期其記錄方式大都采用感光膠片（全息干板），給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了許多困難，也不便于實(shí)現(xiàn)測(cè)量的自動(dòng)化。20世紀(jì)末，隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的廣泛應(yīng)用，給記錄方式帶來(lái)了革新，它與計(jì)算機(jī)圖像系統(tǒng)的結(jié)合則給光學(xué)測(cè)量帶來(lái)了新的活力，不僅使整個(gè)測(cè)量過(guò)程完全自動(dòng)化，并且具有高精度、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量、實(shí)時(shí)顯示等許多優(yōu)點(diǎn)。綜合來(lái)講，光學(xué)的非接觸式測(cè)量方法按照測(cè)量過(guò)程中是否加入人為結(jié)構(gòu)光照明主要分為主動(dòng)式光學(xué)測(cè)量方法和被動(dòng)式光學(xué)測(cè)量方法，主動(dòng)式是利用人為設(shè)置的結(jié)構(gòu)光源比如條紋光柵照射被測(cè)物，拍攝含有人為結(jié)構(gòu)光的被測(cè)物體圖片，根據(jù)人為控制光源的已知信息比如幾何量信息、光學(xué)量信息獲取被測(cè)物體的三維形貌信息；被動(dòng)式是在無(wú)需人為結(jié)構(gòu)光自然光，包括室內(nèi)普通照明光條件下，通過(guò)攝像機(jī)等光學(xué)傳感器獲取的被測(cè)物體的二維圖像來(lái)恢復(fù)被測(cè)物三維形貌信息。被動(dòng)式測(cè)量方式中主要是利用圖像相關(guān)方法找出圖像點(diǎn)對(duì)的匹配關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算物體點(diǎn)的三維坐標(biāo)，主要有立體視覺(jué)、攝像測(cè)量、圖像陰影恢復(fù)法，主動(dòng)式方法主要有激光式時(shí)間飛行法、干涉測(cè)量法、傅里葉變換輪廓法、聚焦、離焦法、莫爾條紋法、相移測(cè)量法等10。時(shí)間飛行法是光投射到被測(cè)物體表面后反射回來(lái)，通過(guò)測(cè)量光發(fā)射出來(lái)后經(jīng)過(guò)物體反射過(guò)程的飛行時(shí)間，結(jié)合光在介質(zhì)中的傳播速度間接計(jì)算物體的三維坐標(biāo)；干涉測(cè)量法是利用光的相干性特性，當(dāng)兩束相干性好的光束在被測(cè)物體表面某一點(diǎn)相遇時(shí)，其光波發(fā)生干涉，形成的干涉條紋反映了物體表面的形貌信息11。傅里葉變換輪廓法通過(guò)對(duì)采集得到的物體光柵圖像進(jìn)行傅里葉變換、濾波、傅里葉逆變換等步驟計(jì)算物體的三維信息，此法測(cè)量速度較快；相移測(cè)量法是結(jié)構(gòu)光測(cè)量法中的一種，通過(guò)向被測(cè)物體投射有一定相位差的光柵圖，計(jì)算光柵圖中每個(gè)像素的絕對(duì)相位值，利用相位高度映射關(guān)系來(lái)計(jì)算被測(cè)物體的三維坐標(biāo)點(diǎn)。在本文的研究中采用的是相位測(cè)量輪廓術(shù)的方法，其通過(guò)投影的結(jié)構(gòu)光，分析投影光場(chǎng)的相位值的面域分布，通過(guò)圖像中每個(gè)像素點(diǎn)的相位值和高度的映射關(guān)系計(jì)算物體的三維坐標(biāo)?；跀?shù)字光柵投影的相位測(cè)量方法早國(guó)內(nèi)外均有研究，相比較在國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究起步較晚，且主要集中在雙相機(jī)的光學(xué)三維測(cè)量方面，對(duì)單相機(jī)光柵投影測(cè)量的研究較少。131國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀全息干涉法12在20世紀(jì)70年代得到迅速發(fā)展，成為光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)的一個(gè)重要分支。由于全息干涉法采用每毫米數(shù)千線的干板作為記錄介質(zhì)，干板曝光后需要暗室，化學(xué)處理十分繁瑣，因此限制了它的應(yīng)用范圍。1967年，德國(guó)科學(xué)家GOODMAN提出了用數(shù)字方式記錄和處理全息圖像的數(shù)字全息概念13，但限于當(dāng)時(shí)數(shù)字圖像記錄設(shè)備及計(jì)算機(jī)性能的條件，不能很快實(shí)現(xiàn)。與此同時(shí)，英國(guó)科學(xué)家BUTTER和LEENDERTZ，美國(guó)科學(xué)家MAKOVSKI研究成功用電視攝像機(jī)替代照相干板以及圖像簡(jiǎn)單相減的一種類(lèi)似全息干涉法測(cè)量位移場(chǎng)的裝置。有賴(lài)于光電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，直到1994年德國(guó)人SCHNARS首先開(kāi)始數(shù)字全息方法的實(shí)驗(yàn)研究，此后該領(lǐng)域其他研究人員陸續(xù)發(fā)表了一些研究成果，完成了數(shù)字全息的起步階段，從總體上看，數(shù)字全息與其他研究方法相比尚有很大的發(fā)展空間14。數(shù)字全息技術(shù)是利用CCD等數(shù)字光學(xué)器件取代傳統(tǒng)光學(xué)全息中的記錄介質(zhì)來(lái)記錄全息圖，重建過(guò)程則在計(jì)算機(jī)中完成，因此數(shù)字全息不僅繼承了傳統(tǒng)全息的特點(diǎn)，而且還具有以下優(yōu)點(diǎn)無(wú)需干板化學(xué)處理過(guò)程，記錄過(guò)程與處理過(guò)程大大簡(jiǎn)化，再現(xiàn)過(guò)程由計(jì)算機(jī)完成，可以實(shí)時(shí)進(jìn)行圖像的獲取和處理，不僅提高了工作效率，還有助于自動(dòng)化測(cè)量；采用CCD記錄圖像時(shí)間僅幾十毫秒，比干板曝光時(shí)間低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因而測(cè)量系統(tǒng)的抗震性要求大大降低；數(shù)值重建既能得到重建光波場(chǎng)的強(qiáng)度分布，也能獲取相位信息，對(duì)于數(shù)字全息干涉測(cè)量技術(shù)，可以精確測(cè)定亞條紋級(jí)的變形量，測(cè)量精度得到提高；數(shù)字全息可以規(guī)避光學(xué)系統(tǒng)的像差等非線性因素的影響。相位測(cè)量輪廓術(shù)作為一種主動(dòng)光學(xué)三維測(cè)量中主要方法，經(jīng)過(guò)了近30年的研究，在二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，國(guó)外已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行面結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量技術(shù)的研究，上世紀(jì)八十年代中期，德國(guó)MUNICHKARLSFELD的MAN光學(xué)測(cè)量技術(shù)中心把相移干涉法（PHASESHIFTINTERFEROMETRY,PSI）引入變形測(cè)量和振動(dòng)分析中，取得了較好的效果15，其作為結(jié)構(gòu)光三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)的研究先行者，為該技術(shù)的研究應(yīng)用貢獻(xiàn)開(kāi)創(chuàng)性貢獻(xiàn)；其后，該光學(xué)測(cè)量中心相移干涉技術(shù)引入立體三維坐標(biāo)測(cè)量中，形成光學(xué)測(cè)量中的重要方法相位測(cè)量輪廓術(shù)（PMP），并成為以后光學(xué)測(cè)量研究領(lǐng)域中的重點(diǎn)方向。他們的團(tuán)隊(duì)在該技術(shù)的研究中有較多成果，并有實(shí)用化系統(tǒng)推出，并在人體測(cè)量，工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)等諸多方面得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，德國(guó)GOM公司開(kāi)發(fā)的ATOS三維掃描儀，采用光柵相移相位測(cè)量方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)光三角測(cè)量原理獲取物體表面的三維信息，測(cè)量精度高、應(yīng)用廣泛。此外，DRSTEINBICHLER、DRWOLF及德國(guó)TECHNICALUNIVERTSITYOFBRAUNSCHWEIG的REINHOLDRITTER教授等，也多年來(lái)一直從事結(jié)構(gòu)光測(cè)量領(lǐng)域的研究，他們經(jīng)過(guò)多年的研究也相繼推出幾款結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)，比較典型的有COMET系列系統(tǒng)，如圖11所示目前莫爾形貌法主要應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、人體輪廓檢測(cè)等領(lǐng)域。莫爾形貌法在人體檢測(cè)方面取得了較好的效果，用于這些方面的莫爾等高圖法的靈敏度只要毫米級(jí)就夠了，由于莫爾法提供了快速、簡(jiǎn)便、無(wú)放射性危害的有效方法，目前主要用于骨科、胸外科、整形外科等方面。國(guó)外在二十世紀(jì)七八十年代進(jìn)行了大量的研究，主要集中在美國(guó)、日本、英國(guó)、加拿大和俄羅斯等國(guó)的研究機(jī)構(gòu)中5859。由于光源、圖像獲取手段和處理方法的限制造成這種方法在實(shí)際中測(cè)量精度低、重復(fù)性差、系統(tǒng)復(fù)雜，因此其研究結(jié)果并未得到廣泛應(yīng)用。132國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀莫爾條紋法國(guó)內(nèi)研究工作主要在八九十年代進(jìn)行的，清華大學(xué)精儀系、北京航空?qǐng)D11SREINBICHLERCOMET系列光學(xué)掃描儀航天大學(xué)宇航學(xué)院、天津大學(xué)精儀系、航天部七四所和中科院光電所等科研院所在從事相關(guān)實(shí)驗(yàn)室研究61數(shù)字光柵投影測(cè)量方法在上世紀(jì)末得到快速發(fā)展，先后出現(xiàn)了基于三角測(cè)量原理的單相機(jī)數(shù)字光柵測(cè)量系統(tǒng)62和基于雙目立體視覺(jué)的雙相機(jī)數(shù)字光柵掃描測(cè)量系統(tǒng)63，前者采用單目視覺(jué)原理，約束強(qiáng)，可操作性差，限制了該技術(shù)發(fā)展迅速，后者利用兩個(gè)相機(jī)同步采集的光柵數(shù)據(jù)，采用雙目匹配原理，測(cè)量方便，精度高，應(yīng)用廣泛。結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)的起步較晚，近十幾年，研究也主要集中在高校，國(guó)內(nèi)清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、上海交通大學(xué)、華中科技大學(xué)、四川大學(xué)等多所高校也在引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)光測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，取得了階段性的成果，并有推出了商品化的結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)。其中，HUANG在文獻(xiàn)中詳細(xì)介紹了基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測(cè)量技術(shù)的最新進(jìn)展5154，SANSONI在90年代初研究了用液晶投影儀數(shù)字化投影光條來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)形貌測(cè)量55，HU提出了一種DLP數(shù)字條紋投影三維測(cè)量新方法56,QIU研制了一種多頻譜條紋投影測(cè)量?jī)x57。雷彥章等提出了一種單雙目視覺(jué)系統(tǒng)結(jié)合的三維測(cè)量方法60，國(guó)內(nèi)的單相機(jī)的結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)比較少，圖12為華中科技大學(xué)快速成型實(shí)驗(yàn)室研制的單相機(jī)數(shù)字光柵光柵測(cè)量系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的一些測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)在逆向設(shè)計(jì)，產(chǎn)品檢測(cè)，文物數(shù)字化等諸多領(lǐng)域得到了的應(yīng)用，并且相比于國(guó)外的測(cè)量設(shè)備，具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)但是在測(cè)量精度、穩(wěn)定性等方便與國(guó)外的先進(jìn)設(shè)備還存在一定差距。圖12國(guó)內(nèi)的單相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)133國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)國(guó)內(nèi)外在光學(xué)三維測(cè)量領(lǐng)域主要有飛行時(shí)間法、傅里葉變換輪廓術(shù)和相位測(cè)量輪廓術(shù)等，目前的研究主要集中在相位測(cè)量輪廓術(shù)中，并且研究多集中在基于雙相機(jī)的雙目視覺(jué)中。相比較而言，國(guó)內(nèi)在單相機(jī)光柵測(cè)量領(lǐng)域研究較少，且傳統(tǒng)測(cè)量方法中存在一些問(wèn)題1傳統(tǒng)的光柵測(cè)量多采用物理光柵，雖能減小光柵誤差，但成本很高，不利于推廣；而采用數(shù)字光柵，雖能降低成本，但是數(shù)字光柵會(huì)產(chǎn)生光柵非正弦畸變；2在光柵條紋的解相過(guò)程中，以前多采用GRAY碼加相移的技術(shù)，這種技術(shù)中，GRAY碼只對(duì)是光柵條紋進(jìn)行編碼，并不參入條紋光柵相位的解算，對(duì)相位的解算精度并沒(méi)有提高；3傳統(tǒng)的單相機(jī)結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)中多采用相位高度對(duì)應(yīng)，這種方式存在約束強(qiáng)、可操作性差的缺陷；4相比較單目測(cè)量，雙目測(cè)量中存在更多的掃描盲區(qū)，對(duì)于兩個(gè)相機(jī)不能同時(shí)看到的區(qū)域，無(wú)法測(cè)量。14課題來(lái)源和研究意義141課題來(lái)源現(xiàn)代工業(yè)制造水平的已經(jīng)有了很大的發(fā)展，產(chǎn)品零件對(duì)不規(guī)則復(fù)雜曲面的要求越來(lái)越高，應(yīng)用也越來(lái)越多，其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢測(cè)等環(huán)節(jié)需要進(jìn)行大量的三維曲面實(shí)體造型和三維數(shù)據(jù)測(cè)量，迫切需要快速、高效、精確、移動(dòng)便攜式的三維測(cè)量技術(shù)和反求逆向設(shè)計(jì)技術(shù)，本文研究一種基于光學(xué)的非接觸式測(cè)量方法。本課題得到江蘇省科技支撐計(jì)劃（工業(yè)部分）和國(guó)家863項(xiàng)目“大型復(fù)雜曲面產(chǎn)品的反求和三維快速檢測(cè)系統(tǒng)研究”的支持。142研究意義本文主要研究了一種基于單相機(jī)的數(shù)字光柵投影的三維測(cè)量技術(shù)，這種技術(shù)改變了原來(lái)的基于雙相機(jī)的雙目視覺(jué)測(cè)量，利用攝像機(jī)對(duì)投影儀進(jìn)行標(biāo)定，從而使投影儀具有獲取圖像的能力，這樣實(shí)現(xiàn)投影儀和單攝像機(jī)組成的視覺(jué)測(cè)量次系統(tǒng)。這種方式改變?cè)械膯蜗鄼C(jī)測(cè)量系統(tǒng)中，投影儀只有投射光柵的作用，使投影儀和攝像機(jī)匹配，投影儀參入到測(cè)量中解算三維點(diǎn)坐標(biāo)的過(guò)程中，提高傳統(tǒng)的單攝像機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中只依靠單相機(jī)采集的圖像進(jìn)行解算三維坐標(biāo)的精度；也改變了雙相機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)，雙相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中，利用了兩個(gè)相機(jī)拍攝的圖像進(jìn)行匹配計(jì)算，但是被測(cè)量物體必須能夠兩個(gè)相機(jī)同時(shí)拍攝到，否則會(huì)產(chǎn)生掃描盲區(qū)，點(diǎn)云產(chǎn)生掃描孔洞，尤其是對(duì)于文物掃描，表面特征比較多，且不能對(duì)表面進(jìn)行處理。同時(shí)本文的研究也可以應(yīng)用于對(duì)大型復(fù)雜曲面掃描，對(duì)產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)和人體的測(cè)量等方面，因此本文進(jìn)行的研究具有重要意義1我國(guó)的文物分布廣泛，研究?jī)r(jià)值很高，但有某些文物不易保存，且存在的被風(fēng)化、破壞的危險(xiǎn)，對(duì)文物進(jìn)行數(shù)字化，在文物保護(hù)方面有著極其重要的作用，而單相機(jī)測(cè)量系統(tǒng)中掃描盲區(qū)少，較為適合在文物掃描中使用，為文物的數(shù)字化提供的必要的手段。2改變?cè)械奈锢砉鈻牛捎脭?shù)字光柵投影，降低系統(tǒng)的成本，使系統(tǒng)能更好的在廣大中小企業(yè)使用推廣應(yīng)用，為廣大中小企業(yè)開(kāi)發(fā)自己的產(chǎn)品，提升自身創(chuàng)造力提供一定技術(shù)支持。3傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)中多采用物理光柵，可以準(zhǔn)確投射正弦光柵，但是有相移誤差，且成本較高，近年改為采用數(shù)字光柵，但是存在光柵非線性畸變，影響相位的解算精度。本文研究了光柵條紋的正弦化校正，通過(guò)對(duì)光柵進(jìn)行校正，提高CCD攝像機(jī)拍攝的光柵條紋的正弦性，從而提高相位計(jì)算精度，進(jìn)而提高了三維數(shù)據(jù)測(cè)量的精度。4隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，逆向設(shè)計(jì)與建模逐漸成為一種新型的、快速的設(shè)計(jì)方法，它可以實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化建模設(shè)計(jì)，本文的測(cè)量方法可以用在逆向設(shè)計(jì)中，此方法在新產(chǎn)品的研發(fā)制造方面大大節(jié)省時(shí)間、勞力和物力，提高了工作效率。5本課題研究?jī)?nèi)容為國(guó)家863項(xiàng)目“大型復(fù)雜曲面產(chǎn)品的反求和三維快速檢測(cè)系統(tǒng)研究”組成部分。本課題研究?jī)?nèi)容也是江蘇省工業(yè)扶持項(xiàng)目“三維光學(xué)快速質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)”的組成部分。15研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線151研究?jī)?nèi)容三維光學(xué)測(cè)量是通過(guò)運(yùn)用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)和電子儀器非接觸地獲取被測(cè)物體外部形貌的方法和技術(shù)。數(shù)字光柵三維測(cè)量技術(shù)是通過(guò)向被測(cè)物體表面投射數(shù)字光柵，同時(shí)通過(guò)相機(jī)拍攝被測(cè)物體的照片，分析照片的相關(guān)信息從而獲取物體三維形貌的測(cè)量方法。本文是基于單相機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)，和一般的雙相機(jī)的測(cè)量方法有明顯不同。測(cè)量時(shí)，首先使用DLP投影儀向被測(cè)物體投射一組三種頻率四步相移的正弦光柵圖像，并使用CCD相機(jī)同步拍攝這一組經(jīng)物體高度調(diào)制而發(fā)生變形的物體光柵圖像，然后分析拍攝的光柵圖像，通過(guò)四步相移算法和多頻外差算法計(jì)算物體光柵圖像的絕對(duì)相位值；最后結(jié)合預(yù)先標(biāo)定的系統(tǒng)參數(shù)（包括攝像機(jī)和投影儀的內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)）重建被測(cè)物體表面的密集三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。針對(duì)這一過(guò)程，本文主要對(duì)涉及的測(cè)量原理、相位計(jì)算、相位誤差分析和校正、攝像機(jī)和投影儀以及系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定等技術(shù)進(jìn)行研究。主要內(nèi)容包括1單相機(jī)數(shù)字光柵測(cè)量原理研究，主要闡述三維測(cè)量技術(shù)的背景和研究現(xiàn)狀，并研究基于單相機(jī)的數(shù)字光柵投影的測(cè)量原理，測(cè)量過(guò)程。2比較分析相移原理和相位計(jì)算方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，并針對(duì)本文的方法重點(diǎn)研究多頻外差原理進(jìn)行相位的解算，以及相位解包裹方法。3分析光柵圖像的非正弦化過(guò)程及其對(duì)相位的計(jì)算影響，并對(duì)光柵非正弦化引起的相位誤差進(jìn)行分析，并現(xiàn)實(shí)相位校正的誤差補(bǔ)償算法，提高相位計(jì)算的精度。4分析基于單相機(jī)投影儀的光柵投影測(cè)量結(jié)構(gòu)，提出簡(jiǎn)單的、高精度的系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定算法。算法中，首先通過(guò)已有的成熟的攝像機(jī)標(biāo)定算法對(duì)攝像機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，通過(guò)標(biāo)定好的攝像機(jī)，精確建立攝像機(jī)拍攝的圖像和投影儀虛擬的柵片圖像的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣使投影儀具備獲取標(biāo)定板的標(biāo)志點(diǎn)圓心的能力，這樣就可以利用投影儀柵片圖像將投影儀參數(shù)標(biāo)定轉(zhuǎn)換為成熟的攝像機(jī)標(biāo)定，進(jìn)而將整個(gè)單相機(jī)投影儀結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定轉(zhuǎn)化為雙目視覺(jué)系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)單相機(jī)投影儀系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定。152技術(shù)路線本文主要研究了一種基于單相機(jī)的數(shù)字光柵投影的三維測(cè)量技術(shù)，這種技術(shù)改變了原來(lái)的的雙相機(jī)的雙目視覺(jué)測(cè)量?；緶y(cè)量過(guò)程為首先分析測(cè)量原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用攝像機(jī)和投影儀的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把投影儀轉(zhuǎn)化為具有“拍攝”圖像的能力，從而可以利用成熟的攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)隊(duì)相機(jī)和投影儀進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定，進(jìn)而把系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定轉(zhuǎn)換為雙目視覺(jué)參數(shù)標(biāo)定，得到系統(tǒng)的標(biāo)定參數(shù)；其次，利用數(shù)字投影儀向被測(cè)物體投射一組正弦的光柵條紋，同時(shí)利用相機(jī)同步拍攝經(jīng)過(guò)物體調(diào)制的光柵，通過(guò)分析拍攝的光柵圖像，通過(guò)多頻外差算法，解算出圖像的相位，并進(jìn)行相位展開(kāi)得到絕對(duì)相位。最后，利用已經(jīng)標(biāo)定好的參數(shù)和高度相位對(duì)應(yīng)關(guān)系解算出被測(cè)物體的三維信息。同時(shí)由于投影數(shù)字光柵的離散化和一些噪聲影響，會(huì)造成數(shù)字光柵的非正弦化，從而會(huì)影響到相位的計(jì)算和最后的測(cè)量精度。因此需要對(duì)投影的光柵進(jìn)行正弦化的校正和相位的補(bǔ)償，提高相位的測(cè)量精度，從而提高三維數(shù)據(jù)的測(cè)量精度。本文針對(duì)整個(gè)測(cè)量過(guò)程中的相關(guān)技術(shù)難題進(jìn)行研究，提出一種單相機(jī)的結(jié)構(gòu)光測(cè)量方法，本文研究的技術(shù)路線如圖13所示圖13技術(shù)路線圖16本文結(jié)構(gòu)安排本文主要研究基于單相機(jī)的光柵投影三維測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)研究，側(cè)重研究測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理，相位計(jì)算的原理和方法，包括相移法和多頻外差法，光柵的非正弦化影響和校正，投影的標(biāo)定和系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定。全文共分六章，具體安排如下第一章緒論主要介紹課題的研究的背景和國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，針對(duì)研究中的一些問(wèn)題，提出本文的研究對(duì)象和研究技術(shù)路線，最后提出本文的主要研究?jī)?nèi)容。第二章單相機(jī)光柵掃描測(cè)量原理與相位計(jì)算介紹基于單相機(jī)光柵投影三維測(cè)量的基本原理。針對(duì)光柵投影三維測(cè)量中高精度相位計(jì)算直接影響計(jì)算結(jié)果的特點(diǎn)，研究了四步相移法等多種相移法對(duì)解相位主值的影響，并研究了多頻外差法相位去包裹的的原理，闡述了一種四步相移法加多頻外差法的高精度相位求解算法。第三章數(shù)字光柵投影非正弦校正首先分析了數(shù)字光柵投影中相位計(jì)算的主要誤差來(lái)源，接著針對(duì)光柵投影的非正弦性誤差進(jìn)行的研究，提出了一種光柵投影的非正弦校正方法。第四章系統(tǒng)標(biāo)定與三維重建闡述了單相機(jī)光柵投影中的投影儀標(biāo)定方法，并基于此介紹了整體系統(tǒng)的標(biāo)定方法和三維點(diǎn)云重建的原理。第五章實(shí)驗(yàn)與分析在理論分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了模擬實(shí)驗(yàn)和具體的三維測(cè)量實(shí)驗(yàn)，利用本文的系統(tǒng)能夠完成較復(fù)雜自由曲面的三維測(cè)量。第六章結(jié)論與展望在闡述本文創(chuàng)新點(diǎn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了本文研究?jī)?nèi)容，展望下一步研究方向。EQUATIONCHAPTERNEXTSECTION12單相機(jī)光柵掃描測(cè)量原理與相位計(jì)算21引言數(shù)字光柵三維掃描測(cè)量技術(shù)是通過(guò)向被測(cè)物體表面投射數(shù)字光柵，同時(shí)通過(guò)相機(jī)拍攝被測(cè)物體的光柵照片，分析照片所攜帶的物體的相關(guān)信息從而獲取物體表面三維形貌的測(cè)量方法。在這種掃描測(cè)量技術(shù)中，較多采用的是基于雙相機(jī)的雙目視覺(jué)測(cè)量原理，通過(guò)分析兩個(gè)相機(jī)同時(shí)采集的圖片來(lái)重建物體的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)，這種方法運(yùn)用了兩個(gè)相機(jī)的照片信息，比傳統(tǒng)單目視覺(jué)中單用一個(gè)相機(jī)采集的照片信息來(lái)重建物體的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有更高的精度，但是雙目視覺(jué)中物理光柵投射器的高昂價(jià)格，以及某些測(cè)量過(guò)程中的死區(qū)，也在一定程度上限制了它的推廣應(yīng)用。針對(duì)這些問(wèn)題，本文采用單相機(jī)和投影儀構(gòu)成數(shù)字光柵的視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)，并針對(duì)其中的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。本章首先簡(jiǎn)要介紹單相機(jī)數(shù)字光柵投影三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)而闡述單相機(jī)數(shù)字投影三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理。最后針對(duì)測(cè)量過(guò)程中的相位計(jì)算進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)基于相移法和多頻外差法的高精度相位計(jì)算。22單相機(jī)光柵投影三維測(cè)量原理221單相機(jī)光柵投影三維測(cè)量系統(tǒng)介紹光柵投影三維測(cè)量系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光非接觸式照相測(cè)量原理，通過(guò)光柵投影裝置投影若干幅正弦結(jié)構(gòu)光柵到待測(cè)物體上，由攝像機(jī)同步采集相應(yīng)圖像，然后對(duì)采集得到的光柵圖像進(jìn)行解碼，并利用外差式多頻相移三維光學(xué)測(cè)量技術(shù)，計(jì)算視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的相位值，單目視覺(jué)相位高度對(duì)應(yīng)關(guān)系，重建出各對(duì)應(yīng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)物體的三維形貌測(cè)量和信息數(shù)字化。單相機(jī)光柵投影系統(tǒng)屬于主動(dòng)式的數(shù)字光柵測(cè)量，采用一個(gè)攝像機(jī)和投影儀組成的測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)借助于投影儀和攝像機(jī)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析投影儀的工作原理，可以把投影儀看做攝像機(jī)拍攝的逆過(guò)程，使投影儀間接具有獲取物體圖像的能力，利用投影儀柵片圖像可以把投影儀參數(shù)標(biāo)定轉(zhuǎn)化為成熟的攝像機(jī)參數(shù)標(biāo)定，從而實(shí)現(xiàn)把系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為雙目視覺(jué)系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件基本結(jié)構(gòu)如圖21所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中主要包括數(shù)字光柵投射器，工業(yè)攝像機(jī)（包括鏡頭），橫梁、支架，線束、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)等。光柵投射器主要用來(lái)向標(biāo)定板和被測(cè)物體投射數(shù)字光柵，工業(yè)攝像機(jī)和圖像采集卡用來(lái)采集標(biāo)定板和被測(cè)量物體光柵圖，用于計(jì)算絕對(duì)相位值。圖21系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖222單相機(jī)光柵測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量原理在圖22所示的這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，首先把投影儀當(dāng)做攝像機(jī)的一個(gè)逆過(guò)程，通過(guò)建立投影儀圖像與攝像機(jī)拍攝的圖像之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，把投影的標(biāo)定轉(zhuǎn)換為成熟的攝像機(jī)標(biāo)定，從而將單相機(jī)的光柵測(cè)量系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為經(jīng)典的雙目視覺(jué)系統(tǒng)，進(jìn)而標(biāo)定出系統(tǒng)的參數(shù)。這種方法重構(gòu)出物體三維數(shù)據(jù)點(diǎn)的流程為通過(guò)投影儀向被測(cè)物體表面投射一組標(biāo)準(zhǔn)正弦光柵，同時(shí)通過(guò)攝像機(jī)同步拍攝經(jīng)過(guò)物體表面高度調(diào)制的變形光柵圖像，然后分析拍攝得到的變形光柵圖像，通過(guò)相移法和多頻外差算法計(jì)算出圖像中代表物體高度信息的絕對(duì)相位值，最后根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的系統(tǒng)參數(shù)，計(jì)算出被測(cè)物體表面三維形貌。被測(cè)物體標(biāo)定的系統(tǒng)參數(shù)投影儀CCD相機(jī)物體的三維點(diǎn)絕對(duì)相位光柵圖像計(jì)算機(jī)圖22測(cè)量原理圖在本系統(tǒng)中如何使投影儀間接具有獲取物體圖像的能力是進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)定的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。我們通過(guò)分析投影儀的投射原理可知，投影儀投射過(guò)程和攝像機(jī)拍攝的過(guò)程正好相反，因此可以將投影儀看做一個(gè)逆向工作的攝像機(jī)，因此可以采用與攝像機(jī)類(lèi)似的數(shù)學(xué)模型來(lái)表達(dá)投影儀的投影變換關(guān)系。攝像機(jī)的標(biāo)定是建立在攝像機(jī)可以拍攝標(biāo)定板圖像的基礎(chǔ)上，利用攝像機(jī)拍攝標(biāo)定板圖像來(lái)實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)標(biāo)定，因而要使投影儀能像攝像機(jī)一樣進(jìn)行標(biāo)定，必須使投影儀像攝像機(jī)一樣具有獲取標(biāo)定板圖像的能力。本文通過(guò)使用相移法和多頻外差法建立攝像機(jī)CCD圖像和DLP投影儀的DMD圖像（投影儀數(shù)字柵片圖像）之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而使投影儀間接具有獲取標(biāo)定板圖像的能力。在標(biāo)定過(guò)程中，將標(biāo)定板放在測(cè)量范圍內(nèi)的某一位置，用攝像機(jī)拍攝一幅標(biāo)定板圖像，用于計(jì)算標(biāo)定板圖像中圓心坐標(biāo)，然后使用DLP投影儀向標(biāo)定板分別投射一組水平光柵圖像和一組豎直方向的光柵圖像，并用CCD同步拍攝標(biāo)定板的兩組光柵圖像，上述兩組光柵圖像的光柵條紋是三組不同頻率的四步相移圖像，可以使用四步相移法和多頻外差原理計(jì)算出兩個(gè)不同方向的絕對(duì)相位值，這樣就可以根據(jù)一個(gè)方向的絕對(duì)相位值，確定CCD圖像中的某個(gè)標(biāo)志點(diǎn)圓心與對(duì)應(yīng)的投影儀圖像中的一條線，即確定投影儀圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)的一個(gè)坐標(biāo)值，兩個(gè)垂直方向的絕對(duì)相位值就可以確定投影儀圖像中對(duì)應(yīng)點(diǎn)的像平面坐標(biāo)。這樣就建立了CCD圖像中標(biāo)志點(diǎn)和投影儀圖像的對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)的關(guān)系，從而得到了投影儀拍攝的標(biāo)定板的圖像，通過(guò)幾個(gè)不同方位的圖像就可以進(jìn)行投影儀類(lèi)似于攝像機(jī)的標(biāo)定。標(biāo)定出了投影儀和攝像機(jī)的內(nèi)部參數(shù)后，還需要對(duì)兩者的外部參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，從而可以完成投影儀和單攝像機(jī)組成的整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)標(biāo)定。這樣有了標(biāo)定好的系統(tǒng)的參數(shù)，就可以使系統(tǒng)利用雙目視覺(jué)的原理來(lái)進(jìn)行三維物體點(diǎn)云的重建，從而完成物體三維形貌測(cè)量和三維信息的數(shù)字化。23相位計(jì)算在本系統(tǒng)中的技術(shù)環(huán)節(jié)中，精確解算經(jīng)過(guò)物體高度調(diào)制的的光柵條紋圖的絕對(duì)相位值，是進(jìn)行投影儀和系統(tǒng)標(biāo)定以及進(jìn)行物體三維點(diǎn)重建的關(guān)鍵，絕對(duì)相位值的解算精度直接決定標(biāo)定精度和最后的三維點(diǎn)重建精度。在相位輪廓術(shù)中有多種方法對(duì)光柵條紋圖像的相位進(jìn)行計(jì)算，GRAY碼加相移算法是傳統(tǒng)解相算法中使用較多的，但是這種方法中GRAY碼只能對(duì)光柵條紋進(jìn)行編碼，對(duì)解相的精度的提高并沒(méi)有幫助，近年來(lái)逐漸轉(zhuǎn)向研究多頻外差法和數(shù)字相移法，數(shù)字相移法和多頻外差法是一種高精度的解相方法。231數(shù)字相移法數(shù)字相移法的基本思想是通過(guò)投影儀準(zhǔn)確產(chǎn)生一組具有一定相移的正弦光柵條紋圖，同時(shí)通過(guò)攝像機(jī)同步拍攝這一組光柵圖，然后通過(guò)分析采集的具有一定相移的光柵圖像來(lái)計(jì)算包含有被測(cè)物體表面三維信息的相位初值。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的正弦光柵條紋圖，其光強(qiáng)分布函數(shù)為（2,COS,IIIXYIIXY1）其中為圖像的平均光強(qiáng)，為圖像的灰度調(diào)制，為圖像的相位移，,IXYI為待解算的相對(duì)相位值，也稱(chēng)相位主值。其中、是三,XY,IXY,I,XY個(gè)未知量，因此計(jì)算至少需要使用三張圖像，也即是至少需要三步相移。目前。,XY相移法很多，本文采用應(yīng)用較多的四步相移算法來(lái)計(jì)算光柵圖像的相位主值，四幅光柵圖像的相位移分別為、，則其四步相移光強(qiáng)表達(dá)式為3/2/3/2（21234,COS,/,CS3/2,IXYIIXYIXYIIXY2）根據(jù)上式可計(jì)算出光柵圖像的相位主值（24213,ARCTNIXY3）其計(jì)算過(guò)程如圖23所示圖23四步相移法相移法是在條紋圖像處理研究中最重要的方法和手段之一，它通過(guò)對(duì)條紋圖相位場(chǎng)進(jìn)行相移來(lái)增加一定常量相位而得到若干幅條紋圖用以綜合求解相位場(chǎng)，這種方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于相位提取算法中。在相移法中，準(zhǔn)確進(jìn)行相位移是關(guān)鍵，在傳統(tǒng)的相移法中，多采用物理光柵得到光柵條紋圖，并且條紋圖的相位移動(dòng)是由光柵移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中存在兩個(gè)不足一是制作標(biāo)準(zhǔn)的正弦型分布的投射光柵是非常困難的；二是每次要求將光柵準(zhǔn)確地移動(dòng)一定的相位是不可能的，只能近似移動(dòng)，必然存在相移的誤差，造成后續(xù)相位結(jié)算的精度下降。因此，本文采用的數(shù)字相移條紋投影技術(shù)，一則可以降低物理光柵的高成本，同時(shí)也可以通過(guò)計(jì)算機(jī)根據(jù)相移算法生成高對(duì)比度和高精度的具有一定相位差的標(biāo)準(zhǔn)正弦投影條紋，可以避免傳統(tǒng)物理光柵相移帶來(lái)的誤差，使系統(tǒng)操作更簡(jiǎn)單更高效。232多頻外差相位展開(kāi)多頻外差相移技術(shù)的基本原理是將兩種不同高頻率的相位函數(shù)和疊加1X2得到一種頻率更低相位函數(shù)，如圖24所示，其中，分別為相位函數(shù)BX12B，的頻率。疊加后相位的頻率可由高頻率表示為1X2BXBXB1（212B4）圖24多頻外差原理多頻外差相移技術(shù)可以用來(lái)解決相位展開(kāi)解包裹中的問(wèn)題，為了在全場(chǎng)范圍內(nèi)唯一的進(jìn)行相位展開(kāi)，必須選擇合適的和值，使得。如圖25所示，在圖像121B的全場(chǎng)范圍內(nèi)，的比值等于投影圖像的周期數(shù)比（設(shè)為，是個(gè)常量），1TANTB1R可采用下式對(duì)進(jìn)行展開(kāi)X（212MO5）式中。112XRXINT圖25多頻外差相位展開(kāi)根據(jù)外差相位解相原理可知，全場(chǎng)相位展開(kāi)是以相位主值為基礎(chǔ)的，根據(jù)相關(guān)研究11,12，解相過(guò)程中的參數(shù)必需滿足下式所表述的不等式（2012V6）其中，表示初始相位主值的頻率與外差后相位的頻率的比值，