基于数字光栅投影的结构光三维测量技术

光学三维测量技术

相位测量轮廓术 ( PhaseMeasuring Profilometry,简称PMP)是采用结构光照明的一种非接触的三

维面形测量方法. 这种方法采用正弦光栅投影和数字相移技术,以较低廉的光学、电子和数字硬件设备

为基础,以较高的速度和精度获取和处理大量的三维数据. 作为一种重要的三维传感手段,这种方法已

在工业检测、实物仿形、医学诊断等领域获得广泛应用.

1）光学三维测量技术按照成像照明方式的不同通常可分为被动三维测量和主动三维测量两大类。

相位测量轮廓术目前已成为使用最为广泛的主动三维测量技术。

2）相位计算

2.1 相位主值计算

标准N帧相移算法对系统的随机噪声具有最佳的抑制作用，且对N-1次以下谐波误差不敏感，目前已成为

结构光测量技术中使用最为广泛的一种相移算法。

2.2 相位展开

目前已有非常多的相位展开算法，这些算法大体上可分为两大类：空间相位展开和时间相位展开。与空间相位展开方法相比，时间相位展开虽然需要的图像更多，

但是可以算法的稳定性更强。因此，多采用多频外差原理这一经典的时间相位展开方法进行相位展开。

3）相位误差分析与补偿

3.1 相位误差分析

一般来讲，相位测量轮廓术中的相位误差有三个主要来源:相移机构的相移误差、光栅图像的非正弦化、光栅图像的离散化和随机噪音。

其中光栅图像的非正弦化将成为系统相位计算的主要误差。

相位测量轮廓术的测量误差有2个主要来源,即相移误差和探测器的非线性误差.

相移误差因相移步距的不相等所致,相移误差常常是不可避免的,但是可以通过采用精密的相移装置和测量过程中采用实时相移校正技术 ,使相移误差降低到最小限度.这时探测器的非线性误差将成为主要的影响因素.

3.2 相位误差补偿

光栅图像中的高频分量引起的相位误差是有规律的，如果能够对其进行正确的统计，找出其分布规律，则可使用相位误差查找表对其进行有效的补偿。

通过直接分析拍摄标准平板得到的光栅图像的相位误差，并量化建立相位误差查找表，后续系统标定和测量过程中使用已建立的相位误差查找表对相位误差进行补偿。

4）系统参数标定

选对合适的系统参数标定方法可以有效的减小误差。

5）三维重建

6）结构光三维测量系统及其应用

6.1 结构光三维测量系统简介

两种不同规格的三维形貌测量系统：PowerScanner-STD(标准型)结构光三维测量系统和PowerScanner-SO(精密型)结构光三维测量系统。其中标准型系统的测量精度为0.05mm，精密型系统的测量精度为0.03mm。

7 结论

本文对基于数字光栅投影的结构光三维测量技术中涉及的相位计算、相位误差补偿、系统

参数标定和三维重建等关键技术进行了系统的介绍。首先，在对比现有算法优缺点的基础上，选取了对随机噪音和偶次谐波具有较好抑制作用的标准四步相移算法和具有很强的稳定性的多频外差原理进行相位计算；然后，对光栅图像非正弦化引起的相位误差进行了分析，并根据相

位误差的分布规律，提出了一种简单、高精度的相位误差补偿算法；然后，通过建立摄像机图像

与投影仪图像之间的一一对应关系，从而使得投影仪能够间接“拍摄”标定所需的图像，进而将复

杂的结构光系统参数标定转化为成熟的双目立体视觉标定；最后简要介绍了根据光栅图像的绝

对相位值和预先标定的系统参数进行三维重建的基本原理。在上述关键技术的基础上，开发出

了两种不同规格的三维形貌测量系统，并通过系统在工业检测、人体测量和文物数字化等多个领

域的应用案例，证实了所开发的结构光三维测量系统具有良好的应用前景。