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1、华中科技大学 硕士学位论文 无衍射线结构光三角测量及CCD摄像机定标的研究 姓名：涂辉 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：周莉萍 20060425 I 摘 要 本文提出用一种新型的无衍射光无衍射结构光作为入射光进行物体表面形貌的 三角测量。这种新型光束不仅具有传统无衍射光的特点，且光斑为线性结构。它为表面 形貌测量提供了一种优良的光源，使测量系统能同时满足测量范围大，分辨率高和测量 速度快的要求。 基于这种光源的测量系统可用于快速测量大型工件三维表面形貌，如汽 车车身、飞机构件等；也可用在数控机床中，作为反求工程中的快速测量系统。本文 围绕无衍射结构光的特性、激光三角测量
2、原理和方法、摄像机定标以及图像预处理等进 行了研究，主要工作和创新如下： 论述了物体表面形貌的多种测量方法并对其进行分析比较。 论证了无衍射光束三角 测量的原理和方法以及无衍射结构光三角测量的原理和方法， 最终确定以无衍射结构光 代替传统高斯光作为激光三角测量的入射光， 解决了传统激光三角测量无法同时满足高 分辨率、高精度与大测量范围要求的问题。由于无需调焦机构，系统具有结构简单、测 量速度快的特点。文中给出了实验装置和对应的实验结果。 提出了图像预处理的方法。本文采用 CCD 摄像机进行图像采集，并利用 Matlab 软 件的图像处理功能对采集的图像文件进行了去噪、 增强对比度等处理， 提高
3、了图像质量。 提出了一种两阶段的摄像机定标方法。该方法通过空间坐标变换，方便地求出摄像 机的内外参数，从而获得被测物体的三维信息。模拟实验表明：定标所得的内外参数与 真实值非常接近，满足高精度测量的要求。 关键词关键词： 无衍射结构光 激光三角测量 表面形貌测量 图像预处理 定标 II Abstract This dissertation states a novel non-diffraction structure light (NDSL) which is applied to triangulation measurement as an incident light . This n
4、ovel light not only has characteristics of traditional non-diffraction beam, but also it is linear structure. It is a perfect lighting source for surface topography measurement, which can satisfy the requirements of large measurement range, high resolution and real-time measurement of the system. Me
5、asurement system based on this light can be used for quick 3D surface topography measurement of large workpieces e.g. bodies of automobiles and spacecrafts. It can also be used in NC machine tools as a system for quick measurement with derivation engineering. This dissertation states the research re
6、sults of its characteristics, laser triangulation measurement theory and method, CCD calibration and image prelimilary processing. The major work and innovation are showed as following: All kinds of measurement methods of object surface topography are disserted and analyzed and compared. Instead of
7、the traditional Gaussian light,non-diffraction structure light is adopted as an incident light in laser triangulation measurement. Then,high resolution,high accuracy and large measuring range can be satisfied in the meanwhile.For NDSL,since no focal adjustment device is needed ,the system structure
8、will be simplified and the measuring speed will be quickened.In this dissertation,the experimental structure with NDSL and the relevant experimental results have been given. A research on image sample and process system of NDSL is made. A method of image prelimilary processing is proposed.NDSLs imag
9、es are sampled by CCD , and then the sampled images are denoised, their contrasts are strengthened by Matlab software to improve quality. A method of CCD calibration with two stages is proposed. The method could obtain internal and outer parameters conveniencely by transform of spacial coordinate an
10、d acquire the 3-D information of the object on-measure.The simulated experiment shows that the in-and-out parameters is close to the real value,which meet the demand for measuring precision. Key Words: Non-diffraction structure light (NDSL) Laser triangulation measurement Surface topography measurem
11、ent Image prelimilary processing Calibration 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借
12、阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 年解密后适合本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪 论 1.1 引言 在三维表面形貌测量 1-3中，线结构光4是一种常用的光源。但一般线结构光无法 同时满足长焦深，小线径的要求，这就使得大测量范围与高测量分辨力及高精度成为 一对矛盾。本文提出利用一种无衍射结构光，这种光既具有线结构光特性，又具有贝 塞尔光焦深长、中心光斑直径小的特点。
13、利用这种光斑的特性，将其应用于三维曲面 5 表面形貌测量，可同时满足大面积、大量程、高分辨率、高精度、高速度的测量要 求。因为，长焦深、小线径可保证大量程与高分辨力得到同时满足。在很大范围内保 持聚焦状态，又使得曲率变化较大的被测表面也能时刻处于聚焦光斑的范围内，保证 了测量精度，消除了一般线结构光无法保证每一测量点均在聚焦范围内，从而使各点 测量精度不同的问题。同时，无需不断调焦、对焦，提高了测量速度。这种测量系统 可用于快速测量大型加工工件三维表面形貌、如汽车车身、飞机构件等测量，为其特 性分析及使用性能提供有力的依据。 1.2 无衍射光及无衍射结构光的国内外研究概况 衍射是一种常见的物理
14、现象, 它对所有传统的波场都有影响。例如, 一束准直的、 单色的光束在自由空间传播瑞利距离Zr( 2 0R Zr=) 后, 就明显地衍射扩散。理想 的无衍射光束则是在垂直于传播方向的任意平面内初始光场分布不变, 即光束强度及 尺寸不随传播距离变化的光束。为了寻找这种光束, 人们做了许多努力。 1983 年,Brittingham,J.N. 6发现了一簇新的 Maxwell 自由空间波动方程的解, 它 描述的波以光速传播并始终保持聚焦状态, 但这些解对应的波具有无限能量, 只有理 论意义而不能具体实现。1985 年, Ziolkowski,R.W. 7推导出自由空间波动方程新的精 确解, 并随后
15、在水中以声波演(Bessel) 函数形式的解, 并实验证明了此解对应的波具 有近似的无衍射特性。1987 年，J.Durnin 8等人发现了麦克斯韦波动方程的零阶贝塞尔 (Bessel)函数形式的严格解， 并在实验室中用简单光学系统和常规光学元件证明了此解 所对应的波具有无衍射特性。 至此，“无衍射” 光束的概念正式提出。 1994 年,Rschin,S. 从数学上得到了更容易实现的、修正的无衍射贝塞尔光束解。由于无衍射光束具有很好 的应用前景, 人们对其理论算法及实现方法做了大量研究并取得了一定的成果。 无衍射光束传播距离远且强度及尺寸稳定等特点与传统高斯光束大为不同， 可将其 应用于激光大
16、气通讯、宇宙飞船间能量传输和通讯、电磁波炮弹与子弹的实现、激光精 2 密机械加工、精密测量等领域。无衍射光与激光三角法 9结合实现高精表面形貌测量， 不仅测量范围大, 横向分辨率高，且结构简单，不需调焦。近期，国外还有将无衍射光 发展为无衍射光阵列应用于光通信，以及将其应用于微粒操作方面的研究。 1.3 三维表面形貌测量方法的发展与国内外研究现状 现有的三维表面形貌测量方法一般分为，触针法、光学法及非光学扫描显微镜法， 如扫描电子显微镜（SEM） 、扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等。其中，触 针式三维表面形貌测量的测量范围大（可达几个毫米） 、分辨力高(可达埃级，10-10m)， 但由于是接触测量，测量速度较慢；非光学扫描显微镜法分辨力很高，横向及纵向均能
