镜面反射物体光学三维测量技术研究

中腰分类号：ＴＮ２４７密缀：单悦代号：ｌＬ９０３々ｅ：０２７２０４６４上海大学＠／；ｌｉｔ硕士学位论文ＳＨＡＮＧＨＡｌＵＮＩＶＥＲＳｌＴＹＭＡＳＴＥＲ’ＳＴＨＥＳＩＳ题｛镜面反射物体光学三维测日量技术研究作看陶蓬学科专业精密仪器及机械导师竖堑里完成日期２００５．０６第一章：概述１．１课题的研究意义“镜面反射物体光学三维测量技术研究（Ｒｅｓｅａｒｃｈ（）ｎＯｐｔｉｃａｌＴｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＳｐｅｃｕｌａｒＯｂｊｅｃｔｓ）”试图以光学方岳为手段，实现镜面反射物体（ＳｐｅｃｕｌａｒＯｂｊｅｃｔｓ）三维面形的快速测量与重建。

１９７０年代以来，光学三维测量技术以其高精度、高效率和非接触性（Ｎｏｎ—Ｃｏｎｔａｃｔ）的优点，已经在工业及民用领域得到广泛的应用和发展¨１２ｌ。

首先，在工业领域，光学三维测量技术的作用是为先进制造业服务，担负起保证产品质量和提高生产效率的重任。

特别是在航天航空工业、汽车制造业中，其应用可贯穿于从产品开发到制造，以及质量控制的整个生产过程；具体如在ｃＡＤ／ｃＡＭ／ｃＡＥ（计算机辅助设计／制造／工程）中替代接触式测量，用于构建逆向工程（ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）系统，为产品开发和仿真加工制造提供一一种理想的设计手段。

其次，在非工业领域亦有广阔的市场空间，比如①在多媒体技术及虚拟现实技术Ｉ３Ｉ中的应用、②在医疗诊断｜４】及人类学Ｉ５Ｉ中的应用等等。

但是，现有光学三维测量主流技术及其设备主要针对的是漫反射物体（ＤｅｆｕｓｅｄＯｂｊｅｃｔｓ）的三维测量，而难以有效地测量镜面物体。

而在实际应用中，大量被测物体的表面性质为镜面反射。

特别是在工业领域，镜面反射物体更是占有较大比重。

例如，抛光模具等精加工零部件、某些表面涂镀零件（如喷镀汽车覆盖件）、某些玻璃及塑料制品以及印刷线路板的焊点等，其表图１－１工业中常见的镜面反射物体（ａ）喷镀车身（ｂ）印刷线路板的焊点（ｃ）抛光模具（ｄ）精加Ｔ零部件面性质均为镜面反射。

图１．１是工程中常见的镜面反射物体。

目前，对于这类零件的三维检测一般采用两种办法：其一，呆用传统的坐标测量机（ＣＭＭ）等接触式测量设备，速度很慢；其二，喷涂其表面，改变其反射特性为漫反射后用光学方法测量【１１，这种方法削弱了光学测量方法的非接触优点。

事实上，镜面物体的光学三维测量技术研究已严重滞后于需求的快速增氏，对其研究具有重要的科学技术价值。

从实用性的角度，该技术研究来源自２２程中的实际需求，其成果必然具有良好的应用前景；从技术角度，其意义在于镜面反射物体的光学三维测量已经成为工程测量领域中一个亟待解决的技术难题，对其开展研究，有助于丰富光学三维测量领域中的知识成果，从而拓宽光学三维测量技术的应用领域。

表面方向，该力法的关键是由图像的光强等高线分布估计反射模型参数，利Ｊ］ｉ这些参数与物面方向之间存在的映射关系求解物体的表面方向。

该方法适合测量面形简单的镜面物体。

在获得物面方向分布信息后，从己知深度的物图１－４光度立体法原理图（ａ）．光度立体学空间布置（ｂ）．不同光照下的物体表面亮度分布面一一点开始，对局部表面法矢求积分就可以得到同一目标其他点的深度值。

光度立体法和从图像明暗恢复面形技术都需要关于物体表面性质、光源位置等先验知识，因此实用性受到很大的限制。

１．３．１．２从镜面反射成分恢复面形测量镜面物体时往往会出现高光（Ｈｉｇｈｌｉｇｈｔ）等特殊的视觉和物理特征，这些特征统称为镜面反射成分¨６｛（Ｓｅｃｕｌａ．ｒｉｔｙ）。

已有不少学者利用镜面反射成分的特性重建镜面物体的三维面形。

结构化高光技术（ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｄＨｉｇｈｌｉｇｈｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）是针对高光分析的一种技术，该方法的基本原理是采用空问方位已知的多点光源照明，由位置固定的摄像机采集带有高光的图像。

通过光源的顺序照明，获得高光点和光源之间的对应关系。

由光源方向和摄像机方向计算出镜面物体的物面方向。

多点光源照明可以保证获取整个镜面物体的面形信息，如Ｎａｙａｒ等｜１７’１８Ｉ采用了１２７点光源。

这一技术主要被用于检测印刷线路板焊点的特征，难以得到精细的三维重建结果。

另外，有一些学者提出从运动高光恢复镜面物体面形（ＳｈａｐｅｆｒｏｍＭｏｖｉｎｇＨｉｇｈｌｉｇｈｔｓ）。

该技术的关键是辩识镜面反射成分。

当视点移动时，纹理等特征相对于其所在物面是静止的。

与之不同，高光将随着视点的移动而在镜面物体表面移动。

由于摄像机的空间位置一般很难精确控制，一般让摄像机固定，而控制待测物体平动和旋转。

Ｚｈｅｎｇ等ｌ１９，２０Ｉ将被测物体放在转台上使其旋转，连续采集不同时刻的图像记录物体的运动信息。

通过分析多幅图像中高光点的总体运动规律可以定性区分镜面物体的面形形状。

利用高光点的运动轨迹，通过微分方程和线性方程组的求解可以直接获取物体面形。

光的偏振分析也是实现镜面物体三维重建的重要手段。

光线发生镜面反射后将发生偏振。

反射光线通过方向不同的偏振镜后的强度是变化的，而且光湿是偏振镜角度的正弦分布１２…。

Ｕｍｅｙａｍａ等｜２１１通过ＩＣＡ（ＩｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔＣｏｍｐｏｎｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ）算法可以精确的分辨出镜面反射和漫反射成分。

而Ｍｃｇｕｍｉ等【２２｜只需找出正弦光强分布的最大值和最小值，来计算偏振强度【ｄｅｇｒｅｅｏｆｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）。

而由光线的入射角与偏振强度问的映射关系可以方便的计算出光线入射角，从而得到物体的表面法矢信息。

１．３．２主动式测量主动式测量是指测量系统向待测物面发射能量，然后接受其反射而实现测量；其中，结构光技术是一种应用较为灵活的技术。

根据所采用的光源形式、该类技术主要包括点结构的激光扫描技术，线结构的光带扫描技术，全场方式的面结构光技术。

根据面结构光的编码方式的不同又可分为图案编码和相位编码，后者一般称为条纹投射技术。

１．３．２．１激光扫描技术激光以其高亮度和具有良好方向性的特点常被用于物体的三维测量。

针对镜面物体，Ｒｙｏ和Ｃｈｏ｜２川采用了图１．５所示的测量装置。

该装置采用了激光作为扫描光源，通过电流计扫描部件精确控制出射光线的方向，对目标物体进行逐点扫描。

光线经物面反射后由抛物面镜会聚到分布于抛物面镜中心柱面上的图像传感器阵列上，会聚光线的方向由图像传感器测量。

由会聚光线方向和已知的入射光线方向，通过复杂的空间关系计算物面上每一点的法线方向，再由数值积分运算获取物面分布。

该装置原理简单，入射光线和反射光线的对应关系清晰。

但测量系统一次只能测量一个物面点的法线方向，测量的效率较低。

图１－５激光扫描技术的装置示意图图Ｉ－６激光测距仪的光路原理图１．３．２．２光带扫描技术传统的激光测距仪可以有效的用于测量漫反射物体，面形三维坐标的计算仅仅依赖于图像中像素的位置。

雨镜面物体测量不能满足这一条件，图像具有严重的多义性。

为了解决这一问题。

Ｂａｂａ等【２４笛１设计了一种新型的激光测距仪，图１－６是其光路示意图。

该装置采用遮挡板（ＳｈｉｅｌｄＭａｓｋ）保证反射光线以相同角度进入摄像机中成像，这样就简化了建立空间坐标和像素坐标之间映射关系的难度。

通过相对简单的映射关系式便可由激光光带变形所带的三维信息计算镜面物体的面形。

１．３．２．３编码图案投影法编码图案投影法对投影图案进行空间编码，能够大大提高测量速度。

例如求群，则只（盖／‘，Ｉ”）为∥一ｔａｎ印∥＋譬·击ｊ，”：ｔａｎ酋．。

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＋盟２ｚ－～ｃｏ－ｓ一毋，图１．１０测量原理图这样将一个空间坐标已知的物面点作为迭代求解过程的初始条件，计算出图像所有像素对应的物面点的空阀坐标。

另外Ｙａｍａｍｏｔｏ等㈡６】为了测量面形变化大的物体如椭球镜、非球面镜等，采用了图１—１２中两个半径不同的圆柱形光栅，是一种非平板投射形式。

圆柱光栅半径的改变造成条纹投射装置在特定方向上的运动，由相位计算出面形分布。

这种方法为解决映射关系复杂性提供了一种很好的思路。

关于镜面物体三维测量技术的发展现状，通过上面的分析，可以得出如下的结论：①现有技术的发展还不成熟，许多技术只是针对特定目标的测量；②技术原理比较分散，主流技术尚未形成；③仅从文献检索结果看，国内尚未有人开展相关研究５－作；显然，镜面物体三维测量有较大的研究发展空间。

对其进行研究可以结束我国在这一领域的竞争中长期了无踪影的局面。

图１－１１参考光栅示意圈（具有不同方向）图１－１２圆柱形光栅示意图１．４本文技术路线及研究内容为了实现镜面物体面形的三维测量目的，本文选择条纹投射技术作为测量手段，采用平板显示屏幕（液晶显示器屏幕）作为光栅投射设备，与ＣＣＤ摄像机构成测量传感单元；结合可移动的精密导轨驱动投射器件运动，形成镜面物体的测量系统；投射变频条纹并利用时域相位解包裹技术求解被测物面上的绝对相位分布，进而由不同投射位置上计算的相位分布获取被测物体的面形三维数据。

本文的创新之处在于将条纹投射器件做特定运动，在不同的投射位置上获取的多组条纹相位用来直接计算出镜面物体的三维面形数据，克服以前技术中计算复杂大的问题；同时本文采用平板显示器作为投射器件，改进了条纹投射技术测量镜面物体的方法，通过编程投射变频条纹并结合时域相位去包裹技术实现绝对相位的自动求解，克服了条纹图像严重多义性带来的困难。

本文的章节排列如下：第一章，本文概述，主要说明了镜面物体三维测量技术的研究意义；从反射模型上说明了镜面反射与漫反射之间的差异以及测量中出现的问题和特征；对现有的各种镜面物体三维测量技术的原理和技术特点作了归纳分析；最后简单的阐述了本文所要采用的技术路线和研究内容。

第二章，首先介绍了条纹投射技术的基本原理；针对现有测量镜面物体的条纹投射技术出现的计算复杂性高等问题，本文提出了“基于平板显示器移动的镜面物体测量新方法”，详细介绍了测量方案，原理及几何分析。

并进行了计算机模拟和误差分析。

第三章，介绍了条纹投射技术中条纹图像处理的相关技术，尤其是变频技术和时域相位去包裹技术。

本章呆用变频技术和时域相位去包裹技术是为了实现绝对相位的自动求解，并克服图像多义性对去包裹运算的影响。

为了识别有效测量区域，本章借鉴图像分割的基本原理，以条纹图像的调制度作为分割信息，采用迭代法实现自动求解。

第四章：根据本文提出的测量方案构建了实验系统。

对样件进行了数据实际测量处理。

第五章：对本文工作进行总结，展望了未来研究的方向。

（２－２）△≯（ｔ／）＝九（ｉ，，）一九（ｉ，Ｊ）适过相位差与物面深度的映射关系州∽２面篇端而ｐ，）便叮必计算出物面深度Ａ（ｆ√）。