1、本科毕业论文（20 届）小尺寸不规则形状物体的 3D 测量研究所在学院 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 要随着科技的快速发展，计算机处理能力大大提升，在此背景下 3D 测量技术飞速的提升，在模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护等各方面发挥着极大的作用。目前国内外对于 3D 轮廓测量已经有了多种方法，而本文研究的激光三角法是其中应用最广泛的一种方法。本文依据激光三角法设计并制作了以线激光为光源的 3D 轮廓测量的平台，其中以 Matlab 为设计平台编写了 3D 测量中的图像处理程序，综合了激光测量，自动控制，精密机械以及计算机
2、应用的知识，实现了对小尺寸物体的非接触式表面 3D 测量。本文介绍了激光三角法的基本原理，同时也介绍了目前流行的其他几种测量方法。通过图片和公式对激光三角法的基本原理进行了深入的研究，发现斜入射时保证物面与像面平行时物象关系成严格线性关系，因而选择了斜入射法作为测量系统的基本结构；在图像处理的过程中，提出了局部光心提取法来进行激光线光心的方法，此方法不光能有效减小图像处理过程中的误差还加快了程序的运行速度。将以上研究紧密结合，在暗室中制造了一个精确，高效率、快速且结构简单的物体三维轮廓检测实验系统，通过实验验证得到设计精度达到 0.06mm。最后本文对测量系统的误差来源进行了分析，并提出了相应
3、的改进措施以保证测量系统的精度。关键字： 激光三角法；非接触测量；斜入射；局部提取光心法AbstractIIABSTRACTWith the rapid development of technology, computer processing capability has been greatly improved, in this context, 3D measurement technology plays a significant role in all aspects of mold design, program evaluation and management of au
4、tomated manufacturing and maintenance. At home and abroad for 3D profile measurement has had a variety of ways and this study is about the laser triangulation method which is one of the most widely used method.This design based on laser triangulation method and produced a 3D profile measurement plat
5、form, using Matlab as the platform to design the 3D measurement of image processing program, achieve a non-contact surface of the small size of the object 3D measurement by combining laser measurement, automatic control, precision machinery and computer applications.This paper introduces the basic p
6、rinciple of laser triangulation method and several other popular methods of measurement. Through pictures and formulas do an in-depth research on laser triangulation, found a strict linear relationship when the object plane and the image plane are in parallel, thus chose oblique incidence method as
7、the measurement system basic structure; and this paper proposed the partial extraction method for the optical center extraction, which not only can effectively reduce the image processing error but accelerated the speed of the program. Closely combine above studies, producing a precise, efficient, f
8、ast and easy configuration of the three-dimensional contour detection experiment system in the dark circumstance, the design accuracy is about 0.06mm which is obtained by experiments. Finally, the source of the error measurement system is analyzed, and given the corresponding improvement measures to
9、 ensure the accuracy of the measurement system.Key Words: laser triangulation; Non-contact measurement; Oblique incidence; partial extraction of light center目 录III目 录第 1 章 引言 .11.1 3D 物体轮廓测量技术概述 .11.1.1 3D 轮廓测量技术发展概述 .11.1.2 3D 轮廓测量方法概述 .11.2 研究目标和意义 .31.3 研究思路 .3第 2 章 激光三角法的基本原理 .52.1 激光三角法的基本原理 .5
10、2.1.1 垂直入射法 .52.1.2 斜入射法 .62.2 Scheimpflug 条件的证明 .82.3 垂直入射法和斜入射法的优缺点 .92.3.1 测量范围和精度比较 .92.3.2 非线性差异比较 .102.4 本章小结 .10第 3 章 激光三角法测量系统结构 .113.1 测量系统的结构设计 .113.2 测量系统的器材选择 .123.2.2 一字激光器 .123.2.3 光学平台 .133.2.4 CCD 成像系统 .143.2.5 计算机 .153.2.6 MATLAB 软件 .163.3 测量系统的标定 .163.4 本章小结 .17第 4 章 图像处理与目标重建 .184
11、.1 图像预处理 .18目 录IV4.1.1 图像噪声来源 分析 .184.1.2 图像去噪 .194.2 光心提取 .224.2.1 线激光光源特点 .224.2.2 线激光光心点的提取方法 .234.2.3 阈值法，重心法以及局部光心提取法提取效果比较 .264.3 目标重建 .284.3.1 暴露在噪声情形下表面轮廓重建 .284.3.2 暗室下表面轮廓重建 .304.4 本章小结 .31第 5 章 激光三角法测量系统误差分析 .335.1 标定误差 .335.2 光学系统误差 .335.3 机械系统误差 .355.4 图像处理误差 .355.5 物体表面特性产生误差 .355.6 系统
12、总误差评定 .355.7 本章小结 .36第 6 章 总结与展望 .376.1 总结 .376.2 展望 .376.2.1 双 CCD 摄像机 .386.2.2 研究自动控制单元 .396.2.3 实现单片机微电脑数字处理 .39参考文献 .40致 谢 .41附 录 .42附录一：局部光心提取法 Matlab 程序 .42附录二：阈值取法 Matlab 程序 .44目 录V附录三：重心法 Matlab 程序 .45外文资料原文 .47外文资料译文 .51第 1 章 引言1第 1 章 引言1.1 3D 物体轮廓测量技术概述1.1.1 3D 轮廓测量技术发展概述近年来，随着计算机技术和图像处理技术
13、的发展，物体三维轮廓检测和数据信息提取技术有了很大的发展，被广泛地应用于产品设计、体积测量、质量控制、逆工程仿真、机器视觉以及生物医疗等领域。早期的三维测量手段主要是采用接触式测量方法，利用机械接触式探针对物体进行逐点扫描来提取物体的曲面信息，从而获得物体表面的三维坐标，这类方法由于采用的是接触式的测量，因而不可避免地对被测物表面造成损伤，而且这种方法的测量速度慢、操作也比较繁琐。正是由于接触式测量方法的这些局限性，这些年来非接触式测量方法得到了空前的发展，目前非接触式轮廓测量方法的种类很多，包括飞行时间法、全息干涉法、散斑干涉法、共焦显微镜、相位法、双目体视法、激光三角法等等。这些方法各有其
14、优点，但基本上都采用光电传感器以及光电信息处理技术替代机械式接触测量，由于其具有非接触、无损、自动化、高精度、高效率等一系列优点，很快成为现代三维曲面测量的重要途径及发展方向。 11.1.2 3D 轮廓测量方法概述3D 测量的随着科技发展衍生出很多不同方法，各有优缺点并用于不同的情况下。下面介绍目前主流的测量方法全息干涉法、双目体视法以及激光三角法。1.1.2.1 全息干涉法全息的概念最早是由英国的 D. Gabor 于 1948 年提出的，但真正形成应用还是在 20 世纪 60 年代中期以后。1962 年美国密执安大学的 E. Leith 和 J. Upatnieks 提出离轴全息图，从而克
15、服了观察全息图再现图像时共轭像和实像互相重叠而降低像质的困难，全息技术才得到了快速的发展，目前已经出现二次曝光、实时法、动态时间平均法、频闪、双脉冲及锁相全息技术等，可以用于解决各种实际测量问题。所谓全息就是在摄影底片上同时记录物光和参考光相干涉的振幅第 1 章 引言2和位相的全部信息，从而得到物体的三维信息。全息图实际上是物光和参考光叠加所产生的干涉条纹的记录。由于参考光固定不变，所以干涉条纹就主要由物光调制，即干涉条纹的亮度和形状由物光的振幅和位相决定。而物光的振幅和位相反映了物体的表面状况，因此干涉条纹的情况就反映了物体表面的三维信息。全息干涉测量主要用于粗糙表面的测量，它的分辨率可达波
16、长量级，精度也比较的高，可以测量形状复杂的物体，在测量中无需基准件而是进行自比较。但是全息干涉法的测量范围很小，要求分辨率很高的全息底片，而且对化学处理过程要求也比较严格，全息图记录了物体的所有信息，从而在实际中显得有些冗余，另外全息干涉测量也不容易具体计算物体三维信息。这些都使得全息干涉测量的实用化受到了一定的限制。 11.1.2.2 双目体视法 49双目体视法是最近开始研究的一种新的三维轮廓测量方法，所谓的双目体视法就是通过仿照人的双目感知距离的方法来实现对物体三维轮廓的测量，在实现上采用三角测量方法，用两个或多个摄像机对同一物体从不同的角度成像，进而从视差中计算出距离。左右两相机是完全相
17、同的，具有相同的焦距 f。两相机之间只存在平移关系，因而其光轴也是平行的。由于在一个系统中只能有一个摄像机坐标系作为参考坐标系，假设两摄像机的距离为 d。只要知道空间点在左右图像中的像点位置（这对象点称为同名像点） ，就可以确定空间点 p 的在摄像机坐标系中的坐标 Xc、Yc、 Zc,然后根据摄像机坐标系与世界坐标系之间的平移关系就可以计算出空间点 p 的三维世界坐标，从而重建出物体的三维轮廓模型，双目体视法由于要从两幅图片中通过匹配找出两幅图像中的同名像点，而从两幅图像中去找去这样的点，其计算量是相当大的，以目前的计算机技术要准确无误的找出这些同名像点来还是比较困难的，因而这种测量方法的测量
18、误差也是比较大的。 11.1.2.3 激光三角法激光三角法是一种相对传统的测量方法，近年来它在很多领域都有着广泛的应用。以前所说的激光三角法通常是指采用点光源进行逐点扫描的激光三角法，采用点光源进行曲面扫描, 这种扫描方法速度慢，效率低。本文中所采用的是线光源激光三角法，用线光源取代了以前所用的点光源对物体进行扫描，提高了测量的速度和效率，激光三角法测量的主要优点是它解决了接触测量中接触侧头与第 1 章 引言3工件之间的接触压力，解决了接触侧头半径较大带来的横向分辨率问题，提高了检测速度；与其它非接触方法相比，具有大的偏置距离和大的测量范围，对待测表面要求较低，不仅适合小件物体的轮廓测量也非常
19、适合大型物体的形貌体积测量，而且测量系统的结构非常的简单，维护也非常方便，是一种高速高效高精度的并具有广阔应用前景的非接触测量方法。 11.2 研究目标和意义当今社会，随着信息科学技术的发展，传统的文字信息已不能满足当代人民日益提高的信息需求的需要，更多的时候图形图像信息是人们最为需求的，尤其是三维图形图像信息。因此对物体三维图像的恢复重构的方法的研究越来越成为世界科研的主流方向。激光三角法作为一种传统的非接触性三维轮廓测量方法，对于静态物体的测量激光三角法是目前应用最广的方法。本文所采用的是线光源激光三角法，在测量的图像处理过程中激光线经过二值化处理，物体的三维轮廓取决于激光线照射在物体表面
20、的空间位置，而与激光亮度没有太大的关系，因而测量过程中对激光器的功率要求不高，只要能在测量图像中能分辨出激光线的位置就能完成轮廓测量。因此激光三角法测量技术具有很好的抗干扰能力，而且相对于其他测量方法而言，激光三角法具有测量速度快，测量范围广，不需要复杂的图像处理设备，信号处理简单可靠，精度较高等特点。而且随着图像处理技术的发展，测量速度和精度会不断的提高，因而此方法在未来的工程测量中有着广泛的应用和发展前景。1.3 研究思路本文首先对激光三角法的原理做了全方位的了解，对其在三维物体，依据经典理论研究设计了测量系统并做出了创新性改进，同时对测量系统的误差做了评估，并全面分析了测量系统的优劣以及
21、改进方向。全文主要分为六章：第一章：引言，这里主要介绍了目前主流 3D 测量方法，并分析激光三角法和其他 3D 测量方法相比的优劣以及激光三角法在工程应用上的前景。第二章：激光三角法的基本原理，这里主要介绍激光三角法的基本原理，包括理论分析计算，并分析了 CCD 成像阵列与工件所成角度的要求和不同入射角第 1 章 引言4下的优劣，根据分析实验中采用了 45 度角斜入射的方案进行 3D 测量。第三章：激光三角法测量系统结构，这里介绍了根据前面得出的测量方案所搭建的测量平台结构，包括仪器型号参数的介绍和系统的标定以及对仪器的改进。第四章：图像处理与目标重建，本章主要内容是关于反演算法的研究，提出了局部提取激光光心的思路，并很好结合 MATLAB 做出程序，做到了省去滤波步骤但仍起到滤波的效果，做到了速度和准确率同步提升，有一定实用价值。第五章：激光三角法测量系统误差分析，本章主要研究误差的来源，误差对测量结果的影响以及如何解决误差带来的精确度下降问题，并给出了相应的建议。第六章：总结以及展望，在本章分析了本次工作的不足之处，并提出了继续往下研究的建设性意见，提出了进一步改进方向。同时介绍了未来 3D 测量的发展方向。
