1、本科毕业论文（20 届）用于 3D 形状测量的 LED 细条纹栅投影方法研究所在学院 专业班级 光电工程与光通信 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要I摘 要随着科学技术和工业生产的发展，传统的机械接触式 3D 形状测量法（如探针式） ，由于存在测量力，测量时间长，不能测量较软质材料等局限性大大限制了测量所要求的高速度，高精度的要求，为此人们寻求能够克服上述缺陷的三维测量方法，非接触式测量法正是在这一需求下出现的。光学投影式三维轮廓术有多种，其中，相位法三维测量轮廓术，简称相位测量轮廓术，是属于投影式光学投影式三维轮廓术的一种，它以其非接触、高速度、高精度、大数据量等一系列
2、优点而日益受到人们的重视和研究，另外该方法还具有受环境电磁场影响小、工作距离大、可测量非金属面及较软质材料等特点。本文的工作主要围绕四步相移法这种较为常用轮廓术进行的，首先深入分析了四步相移轮廓术的基本原理，并且对相关实验进行分析。进行了如下三方面的工作：(1).针对相位的求解，相位的解包裹及 3D 物体形状的恢复编写了 MATLAB的相关程序，并用实验验证。(2).针对不同型号的投影仪及不同粗细的条纹对 3D 物体恢复的影响做了实验论证，并得到相关结论。(3).对不同实验进行了误差分析，并对产生误差的原因进行了详细的分析。关键字：3D 物体、相位测量轮廓术、四步相移轮廓术、相位求解、相位解包
3、裹AbstractIIABSTRACTWith the development of the technology and the manufacture. Because the traditional mechanical contact profilometry has many limitations, for example, the measurement speed is low, it exists measuring power and it can not measure the soft material. The high measurement speed and t
4、he high measurement precision are limited by these questions. Therefore, people seek a better kind of profilometry which is able to overcome these limitations, nocontact optical profilometry based on light pattern projection is such an profilometry.Nocontact optical profilometry based on light patte
5、rn projection has many types. One is grating projection phase measurement method. It has many advantages such as nocontact, high speed, high precision, more data. It also is not affected by the electromagnetic wave in the surrounding environment. It can measure the nonmetal object and soft material.
6、 Phase measurement method is becoming more and more important for its advantages.The all tasks focus on the Fore-step phase measurement profilometry. And the relevant experiments are analyzed. Based on the above work, work carried out in three areas as follows:(1).The relevant procedures of the MATL
7、AB are written to solve the pahse, the unwrapping phase and the recovery of the 3D object and verified by experiment.(2).The influences caused probably by different types of projectors and different thickness of stripes are verified by experiment. And the conclusions are obtained.(3).Error analysis
8、was taken for different experiment. And the analysis was taken for the reasons of the error.Key Words: 3D object, Phase measurement profilometry, Four-step phase measurement profilometry, Solving phase, Phase unwrapping目 录III目 录第 1 章 引言 .11.1 研究背景 .11.2 光学三维轮廓的基本方法及发展 .11.2.1 接触式测量法 .11.2.2 非触式测量法 .
9、21.3 基于相位的轮廓术测量方法研究进展 .51.4 本论文的研究意义和主要内容 .7第 2 章 相移条纹投影技术理论分析 .82.1 条纹图像处理 .92.1.1 相移条纹的产生 .92.1.2 相位解调 .102.1.3 相位解调 .122.2 相位 高度的标定 .142.3 系统搭建 .152.4 本章小结 .16第 3 章 基于条纹投影的 3D 物体测量及相关比较研究 .173.1 四步相移轮廓术算法的验证 .173.1.1 基本原理 .173.1.2 实验装置 .213.1.3 测量结果 .223.2 相关实验的比较 .313.2.1 不同粗细条纹的比较试验 .313.2.2 大投
10、影仪和小投影仪对比实验 .393.3 误差分析及来源 .443.3.1 系统参数的影响 .443.3.2 相移误差的影响 .453.3.3 投影仪和相机响应的非线性误差的影响 .453.4 本章总结 .45第 4 章 总结和展望 .47参考文献 .49目 录IV致 谢 .52附 录 .53附录一：条纹图像在 MATLAB 中实现代码 .53附录二：相位主值的求解在 MATLAB 中实现代码 .53附录三：相位展开在 MATLAB 中实现代码 .54外文资料原文 .56外文资料译文 .64第 1 章 引言1第 1 章 引言1.1 研究背景随着计算机、信息处理、光电子技术的快速发展，光学三维测量技
11、术得到了广泛地应用。尤其是在工业制造、产品检验、反求工程、生物医学、影视特技、文物保护等领域，三维面形测量技术具有广阔的应用前景和研究意义。光学三维测量技术因其具有快速、非接触、高精度，被公认为是最有前途的三维面形测量方法。1.2 光学三维轮廓的基本方法及发展传统的三维面形测量采用机械探针围绕物体表面滑动测量，通过获得物体表面大量采样点的三维数据来重建物体形貌。这种方法通常需要测量物面数千甚至数十万采样点，因此测量速度慢、效率低。而且测量过程中机械探针容易划伤待测物体表面，而对柔性物体进行测量时又存在很大误差。而随着计算机、信息光学等学科的发展，光学三维面形测量技术迅速崛起。光学三维面形测量技
12、术通过接收由物体调制后的光信号来获取物体三维数据，然后对待测物体进行三维面形重建。因此，相较于传统的机械测量方法，光学三维测量技术具有高效率、高精度、非接触等优点。 1光学三维面形测量技术 2-5已经成为人们获取物体三维信息的重要手段之一，通常可以从宏观和微观方面对光学三维测量进行研究，测量范围可从纳米、微米量级到毫米甚至米的量级。典型的基于条纹投影的漫反射物体测量方法通常用于毫米到米量级尺度物体形貌的测量，结合适当的系统标定、数据拼接技术可以将测量范围进一步扩展，甚至 360测量。按照测量方式的不同，光学三维面测量分为接触式测量法和非接触式测量法，下面将对两类方法分别简述。1.2.1 接触式
13、测量法三维测量轮廓术经历了几十年的发展，己经形成了初步完善的体系。非接触光学三维测量轮廓术 6-9根据获取二维面形信息的基本方法可分为两大类: 被动式10，11 与主动式 10,11,12-14两大类。主动式是利用特殊的受控光源(称为主动光源)照射被测物，根据主动光源的已知结构信息(几何的、物体的、光学的)获取景物的三维信息:被动式是在自然光(包括室内可控照明光 )条件下，通过摄像机等光学传感器摄取的二维灰度图像获取物体的三维信息。第 1 章 引言2由于被动式没有受控的主动光源，无需复杂的设备，并且与人类的视觉习惯比较接近。在被动式中物体的照明是由物体周围的光线来提供的，这种技术主要用于限于受
14、环境约束不能使用激光或特殊照明光的场合，或者由于保密需要的军事场合。一般用的最多的方法是从一个或多个摄像系统获取的二维图像中确定距离信息，形成三维面形数据，即单目、多目视觉。当从一个摄像系统获取的二维图像中确定信息时，人们必须依赖对于物体形态、光照条件等的先验知识。如果这些知识不完整，对距离的计算可能产生错误。从两个或多个摄像系统获取的不同视觉方向的二维图像中，通过相关或匹配等运算可以重建物体的三维面形。当被测目标的结构信息过分简单或过分复杂，以及被测目标上各点反射率没有明显差异时，这种计算变的更加复杂。1.2.2 非触式测量法非接触式测量方法的分类多种多样，光学式测量方法的分类多种多样，依照
15、是否向被测物投射能量，可以分为主动测量和被动测量；依照测量过程中光源扫描方法的不同又可分为：点扫描、线扫描和全场扫描；从被测物的运动状态考虑，则可分为动态测量和静态测量；依照获得测量结果的信息来源，又可分为纹理恢复、颜色恢复、光度恢复等等。具体的光学式测量方法主要包括 15：一、飞行时间法 TOF（Time of Flight） 16该方法利用光速或声速在空气（或某一媒介）中的传播速度是定值的原理实现测距：测量系统发射光波（或声波）至被测物表面，并探测经由物体表面反射回来的光波（或声波） ，通过计算光波（或声波）的飞行时间，可以间接计算出被测物体与测量系统之间的距离，经过扫描被测物的各个部分即
16、可得到三维形貌信息。利用光波测距的装置称激光测距仪 17，利用超声波测距的装置称超声波测距仪。测距的工作制式可分为以下三种：脉冲制式、调幅连续波制式、调频连续波制式。可以通过提高测距系统的工作频率来提高计时精度，从而提高测量精度；也可采用调制与解调技术，从信号的相位信息得到精确时间，进而求得高精度的距离值 18。二、干涉测量法（Interferometry） 19干涉测量是常用的高精度、高分辨力测量方法之一。当物波波前和参考波前符合干涉条件时，物波波前和参考波前发生干涉产生干涉条纹，从干涉条纹的变形情况可以判读出被测物的几何形状。传统的干涉条纹处理的方法 20多直接采用图像处理技术求出条纹中心
17、，然后检测条纹中心相对参考基准的偏移量。由于计第 1 章 引言3算条纹中心位置时的误差较大，所以这种方法分辨力较差（约为 1/10 条纹） 。干涉测量技术同相移技术和外差技术相结合，可以使分辨力提高到 1/1001/1000 条纹。全息干涉测量 21是利用全息技术产生干涉条纹，并由干涉条纹完成物体表面深度测量。干涉测量对测量环境的要求较高，系统测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（Common Path）和同时相移技术，可以有效地抑制震动对测量结果的影响 22。电子散斑干涉（ESPI）和数字散斑干涉（DSPI ） 23技术是以干涉方法实现信息记录和表征
18、的光学表面检测方法。通过多幅散斑图像的相关性，可以实现高度的测量 24。McNeill25的实验表明：当摄像机距离被测物 1000mm，测量的最大距离误差为 0.05mm。三、结构光法（Structured Light）由结构化光源如光点 26、光条 27或光栅投射器等，向被测物表面投射能量，由图像传感器记录光斑的位置，通过系统几何关系确定物点与像点之间的对应关系，从而得到像面光斑位置对应的物体上点的三维坐标。当投射光点进行测量时，需要逐点扫描物体表面，测量时间长；光条扫描相对光点扫描，扫描速度较快，但仍需要进行一维扫描；相对光点和光条扫描，采用投射光栅的方法可以快速实现全场测量。为了提高光栅
19、投射测量的可靠性，需要对光栅进行编码，编码方法包括栅格法 28、彩色编码 29-31、二进制编码 32、灰度编码 33、宽度编码 34、相位编码以及混合编码 35等等。其中的相位编码可以扩展成为基于相位测量的光栅投射技术，如莫尔轮廓术36、傅立叶变换轮廓 37术和相移轮廓术 38等。这些方法将在 1.3 节中详细讨论。相对编码结构光，通过线性可调波长滤波器（LVWF）投射彩虹 39的方法，可以避免编码信号的解调，能够更快速的确定出 3-D 信息。四、立体视觉（Stereo Vision）立体视觉是利用视差原理获取景物的三维信息，其过程是在不同角度采集三维景物的一对图像，利用它们之间的视差来恢复
20、出景物的深度信息。视差测量是在分析对应点或对应特征基础上进行的，不同的视差指示出不同的相对深度。典型的立体视觉过程包括五个主要部分 40：建立成像模型；提取特征；特征匹配；视差和深度计算；深度信息内插。由于视觉处理技术将成为未来测量技术的主流，双目、多目以及多帧图像序列等立体视觉已经成为国际学术研究的热点和重点。五、离焦深度测量（Depthform defocus） 41-43第 1 章 引言4离焦深度测量是利用几何光学的聚焦原理，根据聚焦函数进行距离测量。由几何光学的聚焦原理可知：当成像系统正确聚焦时，像面上光点具有最高的锐度；离焦时锐度减小。因此通过建立像点的锐度评判准则，从而可用锐度这一
21、测度来求解目标的深度信息。这种方法的优点是不需要预先进行图像分割就可估计距离，其局限性在于对灰度平坦的区域测距精度低。Krotkov 41报导物距在 1 米至 2 米范围内时，精度达到物距的 10%。六、其他根据纹理（Texture）梯度、阴影（Shading） 、全景视图（PanoramicViews） 、光度立体（Photometric Stereo）以及光流（Optical flow）等其它信息恢复三维信息，统称为 Shape from X 技术。总体上来说，这些技术对被测物表面以及光照等先验知识要求较多，处理条件严格受限，而且精度相对较低。以上分析说明，光学式三维测量技术可以根据具体测
22、量要求，选择合适的测量方法，达到不同的测量分辨力。图 11 是各种光学式测量方法的分辨力：第 1 章 引言5图 1-1 光学式测量方法的尺寸分辨力1.3 基于相位的轮廓术测量方法研究进展尽管基于相位的轮廓术的基本原理也是光学三角法，也可通过像点位移来解释，但由于有更多的相位信息介入，使得这类方法与光学三角法有很大区别。它不直接寻找和判断位置变动后的像点，而是通过测量相位间接实现。当采用高精度的相移算法时，基于相位的轮廓术可达到亚像素级分辨力。另外，因为每一像素点都可同时获得测量数据，获得的信息量大，可以快速实现全场测量。它的缺点在于隐含于相位展开过程中的像点位置难以确定，因此设计出可靠的相位展开算法是发挥其优势的关键。将规则的条纹图像投射到被测物体表面，从另一角度看，可以观察到由于受物体高度的影响而使得条纹变形。这种变形可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号。采集变形条纹并对其进行解调，恢复出相位信息，进而由相位确定出高度，这就是相位轮廓术的基本原理。相位轮廓术中常采用如图 12 所示的典型的交叉光轴系统。图 1-2 典型交叉光轴系统的物像管事示意图典型的相位解调方法包括如下几种：1. 莫尔法（Moir ）莫尔法技术是通过投射光栅到被测物表面，把其变形的光栅像与周期相同的参考光栅像叠加，从而在探测器上获得莫尔条纹。从 20 世纪 70 年代 Meadows
