三维视觉检测

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Abstract
With the development of computer technology and optical and electronic technologies, the new three-dimensional optical measurement methods are emerging. Structured light measurement method, the most representative of active three-dimensional measurement technique, projects structured light to the target object, and captures structured light image modulated by measured object surface, then calculates the three-dimensional topography data of the measured object from the images carrying three-dimensional morphology information of the object, which shows a strong vitality and great potential for applications in machine vision, reverse engineering, industrial automation and physical profiling, cultural heritage protection and other fields. This paper introduces the basic principles of three-dimensional grating measurement, including the phase shift method, phase unwrapping method, system calibration and coordinate conversion principle, etc. Key word: Three-dimensional measurement, Phase shift method, Coordinate conversion
1.3 国内外发展现状
在电子技术与计算机技术的飞速发展推动着结构光三维测量技术日趋成熟。 因其高速精确等特性，三维测量技术已经广泛应用于工业模具设计、机械设计、 文物保护、逆向工程、医学诊断等多个领域。1983 年，M.Takeda 与 K.Mutoh 将
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傅里叶变换用于光栅图像处理中。2006 年，S. Zhang 等基于三步相移法进行快 速实时测量，测量速度达 30 顿/秒，并于 2010 年提出基于投影仪散焦的快速三 维光学测量方法，实现了速度达到 66 顿/秒的非在线测量。同年 K.Liu 等提出基 于双频光栅的快速实时三维测量，实时测量速度达到 120 顿/秒。2011 年 J. Salvi 和 S.Fernandez，实现了对镜面反射物体，如水面的实时三维测量。 我国在三维测量技术研究领域起步比较晚，但取得了不少成果。1989 年， 四川大学的苏显偷等研制出基于激光结构光的三维面形测量系统；1993 年，在 国家的大力wenku.baidu.com持下，四川大学和西南石油学院采用 Ronchi 光栅离焦投影进行相 位测量，成功研制了用于井底探测的三维外形测量系统；1997 年，华中科技大 学人工智能研究所的李德华等成功研制出我国第一台彩色三维激光扫描仪 SDLCS。2003 年，上海交通大学塑性成形工程学院成功研制出双目式光栅投影 测量系统，主要结合了光栅投影法和立体视觉测量方法的优点。
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第 2 章 光学三维测量技术
三维视觉测量系统作为一种非接触式三维扫描仪，主要又分为主动、被动扫 描，这些分类下又包含众多不同的技术方法 ，如时差测距法、三角测距法、调 变光、结构光源、多目视觉测量等等，本章主要介绍三维激光扫描和多目视觉测 量系统的测量方法和基本原理。 结构光三维测量技术主要通过将结构光投射到目标物体上， 再利用光学仪器 和电子仪器釆集反射信息并经计算机处理获取目标物体的三维信息。 光学三维测 量技术主要分为被动三维测量和主动三维测量两大类， 而分类标准是在测量过程 中是否有结构光照。 被动三维测量技术主要依赖的方法是数字图像相关(Digital Image Correlaticn) 法， 这种方法直接从不同系统获取的二维图像中提取物体的三维信息。其关键在 于使用相关算法从不同的图像中找出对应点。 其中立体视觉(Stereo Vision)法、 摄 影测量(Photogrammetry)法、 阴影恢复形状法(Shape from shading)等方法比较常用。 由于在被动三维测量过程中不需要结构光照明，而硬件结构又比较容易实现，所 以在无法使用结构光照明的时候优势比较明显。 主动三维测量技术需要向被测物体投射不同相位周期的结构光， 并用按一定 角度安装的摄像机拍摄经被测物体表面调制而发生形变的结构光图像， 然后根据 拍摄到的图像计算出被测物体的三维信息。目前，结构光三维测量技术已经发展 出很多的分支，是主动三维测量技术中发展最为迅速的，主要包括：激光扫描法 (Laser Scanning， LS)、 傅立叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry， FTP)、 相位测量轮廓术(Phase MeasuringProfilometry，PMP )也被称为相移测量轮廓术 (Phase Shifting Profilometry ， PSP) 、彩色编码条纹投影法 (Color-coded Fringe Projection，CFP )等。FTP 和 PMP 是众多结构光测量法中使用最为广泛的两种测 量方法。 FTP 方法主要是利用快速傅立叶变换来测量物体三维形貌， 只需要一幅光栅 条纹图像就能经过快速傅立叶变换、滤波和傅立叶逆变换，计算出被测物体的三 维信息。 利用此方法能够非常快速的计算出目标物体的三维形貌，比较适合低速 物体的测量。由于在计算过程中涉及滤波问题，所以 FTP 法的测量范围有限， 而且测量精度不是特别高。 PMP 方法的主要是要拍摄目标物体表面的光栅条纹图像，并且这些光栅条 纹要有一定相位差， 然后计算图像中每个像素的相位值来确定目标物体的三维信 息。然而 PMP 法在拍摄图像过程中要保证目标物体是静止不动的，而且想要进 行相位计算，至少需要三幅有一定相位差的光栅条纹图像才行，所以 PMP 法测 量静态物体得到的三维信息更加的精准。 想要得到高精度的被测物体的三维信息， 那么就要使用更多的光栅条纹图像。
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Harbin Institute of Technology
光学三维测量技术的研究
课程名称： 院 姓 学 系： 名： 号：
指导教师：
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摘要
随着计算机技术和光电技术的发展，新的光学三维测量方法不断涌现。主动 三维测量技术中最具代表性的结构光三维测量方法通过向被测物体投射结构光， 并拍摄经被测物体表面调制而发生变形的结构光图像， 然后从携带有被测物体表 面三维形貌信息的图像中计算出被测物体的三维形貌数据。其在机器视觉、逆向 工程、 工业自动化和实物仿型、 文物遗产保护等领域展现了强大的生命力和巨大 的应用潜力。 结构光三维测量技术已在多个领域得到广泛应用。 本文重点介绍了三维光栅 测量的基本原理，包括相移法，相位展幵方法，系统标定与坐标转换的原理等。 关键字：三维测量，相移法，坐标转换
1.2 结构光三维测量技术
结构光三维测量技术的基本原理是投影仪将经过灰度编码的明暗相间的结 构光栅投射到目标物体上， 由两台按一定角度安装的摄像机采集目标物体的光栅 图像。物体表面高度使规则的结构光栅受到调制而发生变形。利用这种形变，结 合相位移和灰度编码技术， 就可以解决两幅图像上空间点的对应问题，再通过两 台摄像机的三角关系得到目标物体的三维坐标信息。 结构光三维技术也有其局限 性， 那就是每次测量只能检测物体的一个侧面， 因此只有从物体的不同角度进行 检测， 才能得到目标物体完整的三维坐标信息。由于在不同角度进行检测时的坐 标系不同， 即使在不同角度检测到的是目标物体上的同一点， 其空间坐标也不会 相同。因此，各个侧面检测到的数据必须进行必要的空间坐标转换，只有在同一 坐标系下组数据拼接的结果才是目标物体的准确的三维信息， 实质就是把在不同 的局部坐标系中扫描得到的数据点进行坐标变换得到物体的三维信息。
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目录
摘要........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 第 1 章 绪论..................................................................................................... - 1 1.1 课题背景............................................................................................. - 1 1.2 结构光三维测量技术......................................................................... - 1 1.3 国内外发展现状................................................................................. - 1 第 2 章 光学三维测量技术............................................................................. - 3 第 3 章 三维测量技术中相位移及相位展开................................................. - 4 3.1 相位移原理......................................................................................... - 4 3.2 相位展开算法..................................................................................... - 5 3.2.1 空间相位展开算法.................................................................. - 5 3.2.1 时间相位展开算法.................................................................. - 6 第 4 章 三维重建过程..................................................................................... - 7 4.1 三步相移算法..................................................................................... - 7 4.2“2+1”步相移算法 ................................................................................ - 7 4.3 时间相位去包裹法............................................................................. - 8 4.4 杂点去除算法..................................................................................... - 9 4.5 相位值向空间三维坐标转换算法..................................................... - 9 4.6 基于 Look-up Table 的快速算法 ..................................................... - 10 第 5 章 总结与展望....................................................................................... - 10 -
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第 1 章 绪论
1.1 课题背景
传统的成像技术只能显示目标物体的二维信息， 这样目标物体的深度信息就 无法显示，虽然人眼能够通过不同的参照物识别目标的远近，但是目前而言，计 算机还没有能力实现人眼达到的功能， 因而三维测量技术的出现也就是必然的了。 三维测量系统通过向目标物体投射结构光栅，并且利用 CCD 摄像机釆集反射的 图像，综合运用图像处理、精密测量等技术进行非接触的三维坐标测量，具有精 度高、效率高、自动化程度高、造价较低等优点，在工业产品的加工和检测以及 国防航天等领域都有着广泛而重要的应用意义。 最近几年， 三维测量技术的日益成熟与计算机技术的飞速发展密不可分，现 实生活中的不同领域都已出现了三维信息化技术。 三维测量技术已经深入到工业 设计领域，机械设计，模具设计等都与三维测量技术紧密的联合在一起；现在已 经广泛应用于国防、 模拟训练、 科学试验等领域的虚拟现实技术同样需要大量的 三维模型数据；三维测量技术的典型应用出现在医疗上，其中 CT 机和核磁共振 仪就是其中的代表；而现在日益流行的 3D 电影同样需要大量的三维数据来构建 动画模型，甚至在考古研究中也越来越多的应用到三维技术，比如古董的修复、 破损文物的修复等都可运用三维扫描技术快速地构建模型。