反求工程中融合特征捕捉的光學三維測量方法研究及系統(tǒng)開發(fā).pdf

1、反求工程從三維數(shù)據(jù)測量開始，最終目的是要得到精確的實體模型，數(shù)據(jù)測量和特征提取在這一過程中具有十分關(guān)鍵的作用。本文基于三角測量原理，對提出的融合特征捕捉的光學三維測量方法及其關(guān)鍵技術(shù)進行了詳細深入的研究，開發(fā)出了高精度光學三維測量系統(tǒng)，取得了滿意的效果。 針對基于點云數(shù)據(jù)的特征提取方法效率低的問題，提出了融合特征捕捉的光學三維測量新方法，研究了基于多種測量過程信息相融合的特征捕捉方法，在三維測量的同時實現(xiàn)特征捕捉。首先基于格雷碼

2、有序性和相移圖像的分析有效去除陰影，基本消除了光學測量中由于遮擋等原因引起的噪聲。其次，基于無光柵圖像、格雷碼矩陣、相位梯度圖等信息分別進行了表面特征捕捉的研究?；跓o光柵圖像幾乎可以獲得表面的所有特征，但由于表面顏色、灰度等因素的影響而存在大量偽特征；基于格雷碼編碼矩陣可以獲得表面的不連續(xù)特征，但無法檢測出連續(xù)特征；基于相位梯度圖的方法可以檢測出表面的突變特征和連續(xù)特征，并且消除了無光柵圖像表面顏色的影響?；谏鲜龆喾N測量過程信息的融

3、合最后獲得完整的表面特征，試驗結(jié)果表明該特征達到了一個測量采樣點的精度。該方法極大地提高了特征提取的效率，同時由于采用單獨的點云輸出，保證了特征表達的精度，對提高后續(xù)的模型重建工作的效率和精度具有顯見的積極意義。 在分析光學三維測量原理和技術(shù)特點的基礎上，對格雷碼相移融合測量方法及其若干關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究，并提出了一種基于等周期線性修正和加權(quán)中值平滑相結(jié)合的相位誤差補償新方法。首先對基于結(jié)構(gòu)光編碼的格雷碼方法、相移法分別進行

4、了試驗研究，并采用亞像素級解碼技術(shù)對格雷碼方法進行了改進，測量的高度分辨率從0.22mm提高到0.1mm以內(nèi)，點云數(shù)據(jù)的光順性得到明顯改善，從而擴大了該方法的應用范圍。根據(jù)格雷碼方法和相移法各自的特點，將兩者結(jié)合起來，可以實現(xiàn)大場景、高分辨率的測量，并能同時獲得表面突變信息和細節(jié)信息。本文對格雷碼相移融合測量方法及其若干關(guān)鍵技術(shù)進行了深入研究。在分析全場結(jié)構(gòu)關(guān)系的基礎上詳細推導了該方法的數(shù)學模型，給出了精確的三維坐標表達式?；诟窭状a和

5、相位梯度檢測進行全場相位解碼，實現(xiàn)了精確的絕對相位計算。針對相位測量技術(shù)中普遍存在的相位擾動誤差問題，在研究OPTF方法的基礎上，提出了一種基于等周期線性修正和加權(quán)中值平滑相結(jié)合的相位誤差補償新方法，取得了良好的效果。試驗結(jié)果表明，OPTF方法對點云擾動誤差的改善為25﹪，采用本文方法后點云擾動誤差平均降低了62.5﹪。 對三維測量系統(tǒng)標定技術(shù)進行了深入研究，提出了基于全場結(jié)構(gòu)關(guān)系模型的系統(tǒng)綜合標定方法。在通過攝像機標定獲得內(nèi)部

6、參數(shù)的基礎上，根據(jù)全場結(jié)構(gòu)關(guān)系模型分析系統(tǒng)測量誤差與系統(tǒng)參數(shù)問的定量關(guān)系，然后根據(jù)對特定標定模板的測量誤差不斷迭代修正系統(tǒng)參數(shù)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的綜合標定。試驗證明了該方法的有效性，可以達到較好的標定精度。 在上述研究成果的基礎上，以自制的高精密物理光柵器件為核心實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)光投影系統(tǒng)的開發(fā)，進而開發(fā)出了光學三維測量樣機系統(tǒng)。測量系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分，硬件部分包括光柵投影裝置和圖像采集系統(tǒng)、以及系統(tǒng)控制單元，軟件主要實現(xiàn)數(shù)字圖像的