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光栅投射三维轮廓测量技术的研究

作　者: 牛小兵
导　师: 蒋诚志；林玉池
学　校: 天津大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 光栅投射轮廓术相移算法相位扩展时域相位展开 3-D坐标标定轮廓拼接Grating Projection 3?D Coordinate Calibration
分类号: TG806
类　型: 博士论文
年　份: 2003年
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内容摘要

几何参数的测量一直是计量领域的重要研究内容。光栅投射3-D轮廓测量技术是一种快速、非接触、全场测量手段，在复杂物体的几何轮廓测量中有着广阔的应用前景。本论文是国家教育部科学技术研究重点项目（编号：99140）“基于图像拼接的视觉测量关键技术的理论与应用研究”的研究内容之一。本文着重研究了参考面相位扩展、时域相位展开、3-D坐标标定和测量以及3-D轮廓拼接等关键问题，论文的主要工作包括以下几个方面： 1．首先分析了典型的交叉光轴光栅投射系统中，几何结构参数对测量性能的影响。针对传统结构中的多个几何强约束条件，提出了新的系统几何结构。新的结构模型放宽了传统结构的强约束条件，减小了系统的搭建和调整的难度，提高了系统对环境变化的适应能力； 2. 在理想系统结构不能满足时，参考面上的相位分布也不再均匀。本文提出用二元二次有理多项式模型来描述不同高度的参考面上展开相位分布，并用一阶泰勒级数展开实现了最小二乘迭代求解。该方法不仅可以由部分参考面精确恢复出全场的相位分布，而且可以减小结构参数误差、实际参考面本身面形误差以及随机误差，间接提高系统坐标测量的精度； 3．测量中常遇到不连续物体的3-D面形测量，普通的空域相位展开算法不能准确地恢复折叠相位，因而导致测量失败。针对这种问题，本文提出了基于掩模累计的时域相位展开算法。通过相邻折叠相位差分的折叠相位之和，以及由掩模矩阵得到的掩模累计之和两部分来获得展开相位。采用该算法不仅克服了物体间断以及其它噪声造成的误差传播，从理论上提高了相位展开速度和测量精度，而且能够针对具体的测量需要，由基于掩模累计的一般性理论推导出具体的时域测量方法，这对于应用时域测量方法提供了理论支持。 4．着重分析了光栅投射轮廓测量中的3-D坐标隐式标定，提出采用虚拟3-D相位靶实现三维空间坐标的标定：首先采用分段线性插值的方法，求得不同高度和相应高度的基准参考平面上展开相位之间的物相对应关系；然后从平均灰度图中恢复出特征点坐标，并由Least-Square多项式映射函数求得参考面内的横向坐标。对于被测物的3-D测量，首先由物相对应关系和被测物的展开相位求出高度坐标，而横向坐标则由基准参考面相位序列、基准参考面内横向坐标以及被测物高度值经插值运算求得。 5．由多个绕旋转轴旋转的非共面空间平面，通过最优化搜索获得旋转轴的方向矢量和轴上相关一点。根据该方向矢量和轴上一点计算出绕旋转轴旋转一定角度时的空间转换矩阵，多个视角的3-D面形轮廓就可经由这个空间转换矩阵拼接合成到统一的全局坐标系中去，从而实现360º轮廓拼接合成。 6．建立了三维面形轮廓测量硬件系统，开发出集条纹投射、图像采集与处理等功能于一体的软件系统。利用此系统不仅可以测量普通的连续面形，而且可以测量含有间断的面形，实验证明该系统可以用于自由曲面的测量。本论文的创新之处在于： 1．提出了虚拟3-D相位靶的隐式标定方法。该方法只需要一个靶标、采集一个参考面图像序列就可以实现系统的三维标定，简化了现有标定方法中至少需要两种靶标、采集两个图像序列的繁琐过程。 2．提出了基于掩模累计的时域相位展开算法，给出了该算法的具体步骤，解决了包含间断类物体在内的自由曲面轮廓测量的难题。 3．提出了采用二元二次有理多项式模型描述平行于零基准参考面的不同高度平面上的相位分布。通过一阶泰勒级数展开，在最小二乘意义下迭代实现了相位的精确扩展。 4．针对传统系统结构中的几何强约束，提出了新的几何结构，减轻了结构调整的难度，提高了系统对环境变化的适应性。 5．由旋转的多个非共面平面，求得空间旋转轴方向矢量及轴上相关一点，连同旋转角度确定出坐标转换矩阵，实现了多视角3-D轮廓数据的360º拼接合成。

光栅投射三维轮廓测量技术的研究

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