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1、华中科技大学硕士学位论文面结构光三维测量系统的精度研究姓名：杜宪申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王从军20090522华中科技大学硕士学位论文华中科技大学硕士学位论文 I摘摘 要要 结构光测量系统在工业检测、人体测量、文物保护和反求工程等众多领域具有广泛的应用前景。国外的面结构光三维测量技术已相对成熟，但设备价格昂贵。国内也有一些单位开展了相关研究，但普遍存在着精度不高、稳定性差等缺点。为此，本文在简要介绍结构光三维测量技术原理的基础上，系统分析了光栅条纹数和数字光栅投影装置的伽马非线性对测量精度的影响，以期进一步提高课题组前期开发的三维测量系统的精度。 面结构光三维测量系统，首
2、先使用相移法和多频外差原理进行稳定高精度的相位计算；然后根据预先标定的系统参数，从得到的相位灰度图重构出被测物体的三维点云数据。 由三维重构过程可知，光栅周期数的增加可以降低立体匹配的误差，本文通过理论推导和实验研究，分析了不同光栅周期数对系统测量精度的影响，并为系统选择了一个最优的光栅周期数。当周期数为 110120 时，系统的测量精度最高，滤波后可达 0.037mm。 此外，三维重构的精度还与相位计算的精度有关，根据现有研究，投影仪的伽马非线性是相位误差的主要来源。本文分析了不同伽马值和不同条纹周期数的测量精度，发现条纹周期数抑制了伽马非线性，提高了相位计算的精度。 最后，通过分析不同距离
3、的平面精度、拟合标准球直径及距离等测量实验，表明系统的测量精度稳定可靠，绝对测量精度可达 0.05mm。 关键词：关键词：结构光;光栅周期数;误差;非线性 华中科技大学硕士学位论文华中科技大学硕士学位论文 IIAbstract Structured Light Measurement System (SLMS) is widely used in many fields such as industrial inspection, human body measurement, Protection of Cultural Relics and reverse engineering etc.
4、 In abroad, SLMS is well developped, but they are always expensive. In China, lots of research work has been made on it, but they are poor in accuracy and stability. So, this paper, which is based on a brief introduction of the structured light measurement technology, analyzes the impact of the peri
5、od number of fringe pattern and gamma non-linear of Digital Projector, attempt to further improve the precision of pre-development measurement system. In our SLMS, phase-shifting method and multi-frequency heterodyne principle were imployed to obtain phrase gray map, then 3D data could be reconstruc
6、ted base on the pre-calibrated parameters. According to the process of 3D reconstruction, we found that the increase of the period number of fringe pattern can reduce the error. So this paper analyzed the relationship between period number of fringe pattern and accuracy through theoretical research
7、and experiments. Then we can conclude that the optimal period number is 110120 and the SLMS gets the highest precision which is up to 0.037mm after filtering. In addition, the calculated phase value can also affect the accuracy of 3D reconstruction. According to research, gamma non-linear of project
8、or is the main error source of the phase error. This paper analyzes 3D date by using different gamma values and different the period numbers of fringe pattern, then found that the period number of fringe pattern can inhibit the effect of the gamma non-linear of projector and improved the accuracy of
9、 the phase calculation. Finally, a series of measurement experiment, such as analyses of the accuracy in different distance and fitting diameter and distance of the standard ball, shows that the accuracy of system is stable and repeatability and the absolute measurement accuracy is 0.05mm. Key words
10、: Structured light; Period number of fringe pattern; Error; Non-linear 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后果由本人承担。 学位论文作者签名：杜宪 日期： 2009 年 5 月 22 日 学位论文版权使用授权书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
11、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_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：杜宪 指导教师签名：王从军 日期：2009 年 5 月 29 日 日期： 2009 年 5 月 29 日华中科技大学硕士学位论文华中科技大学硕士学位论文 11 绪绪 论论 近年来，随着光学、计算机以及图像处理等技术的发展，光学非接触式测量技术也得到很大发展。非接触式测量由
12、于具有测量速度快、测量精度高、非接触以及易于实现自动化测量等优点1, 在测量领域中占有很重要的地位，广泛应用于各个领域。尤其在当今社会，工业产品的设计和研发周期越来越短，借助三维测量技术可以加快产品的更新换代能力，提高生产厂家的竞争力。 非接触式三维测量设备由于可以离被测物体一段距离，因而更适合生产过程控制和在线实时检测，如汽车车身、飞机外壳、轮机叶片等加工制造中的实时在线检测2。另外，对于危险区域中的检测，非接触式测量有其无可比拟的优势，特别是热态大型锻件的实时尺寸检测和异型材的断面尺寸检测，可以实现实时监控生产线的稳定性，有效得控制废品率。 非接触式三维测量技术也应用于人体和人脸测量3。在
13、人脸测量方面，传统的雕刻、泥塑等方法也能制作出栩栩如生的人像，但是需要较高的艺术素养和技术，较长的制作时间，成本也相对较高。而利用光学非接触式三维测量技术实现人脸重构的方法则相对简单，如结合快速成形技术，则可以较快的制作人像。 使用非接触式设备测量物体的三维形貌时， 因为测量手段为非破坏和非接触式，可以避免对被测物体（如贵重文物和软表面的物体）的损伤4，为文化遗产复原和保护提供了新的方法。例如，可以借助先进的测量技术和虚拟现实技术对文物和文化遗产进行数字化展示 ， 并且在文物辅助陈列和鉴定等很多方面具有重要的现实意义。 此外，测量技术在其它很多领域也有重要应用，不在此一一列举。 非接触式测量技
14、术在国外已经比较成熟，国外的许多公司和高校，对非接触式测量技术的理论和产品的商品化进行了广泛的研究。从总体上说，国内与国外商品化的产品相比还有很大的差距5。 国内已经商品化的产品普遍存在着设备精度不高、抗干扰性差、稳定性不好等缺点，尚未达到可以大面积推广与应用的水平4。 非接触式测量对于反求工程有非常重要的意义。逆向工程（ReverseEngineering） ，也称反求工程，就是以现存的实物和模型为依据，对其三维形状进行测量并重构出数字模型，通过对数字模型的分析、修改等，可以达到对产品快速设计和造型华中科技大学硕士学位论文华中科技大学硕士学位论文 2的目的6。在现代产品开发的过程中，由于产品
15、的形状愈趋复杂，并且消费者愈来愈追求造型美观和个性，所以产品外观不可难免得包含很多数学模型难以描述的自由曲面，所以产品设计师很难直接进行三维建模，反求工程为此提供了很好的解决方案。 因此，对非接触式的三维测量设备的精度和算法进行研究，能够从整体上加速我国对国外先进技术和设备的消化和吸收能力，提高产品的生产率和缩短新产品的研发周期，进而促进国内众多的中小企业生产力水平的提高。另外，反求工程在对汽车、模具等行业的应用里具有十分独特的优势。如车身造型，汽车内饰件，汽车零部件的造型都离不开反求工程。所以，我们对反求设备进行研究和开发，具有巨大的经济效益和社会效益。 1.1 光学测量方法概述光学测量方法
16、概述 1.1.1 光学测量方法分类光学测量方法分类 现在，三维测量设备和方法有很多种。常用的测量方法，根据获取数据的设备是否接触被测物体可以分为两大类：接触式测量和非接触式测量。接触式测量设备包括三坐标测量机和关节式坐标测量机等，非接触式测量方法根据作用介质的不同分为：光学测量法，声学测量和电磁学测量6。面结构光三维测量方法为光学测量中的一种。 光学非接触测量包括时间飞行法，三角法，干涉法，立体视觉法，超声波法等等，但现在技术之间的交流日益增多，有的系统为几种方法的集成，所以，有时候测量方法的区分并不是非常严格。 按照图像的成像原理是否向被测物体发射信号5， 光学非接触式测量又可分为：主动式测量和被动式测量。主动式测量的特点是利用三维形貌对条纹等的空间或时间调制，从中解出被测物体三维形状的数据。与被动式相比，主动式三维测量技术的测量精度较高。被动式测量是从一个或多个摄像机获取的二维图像中确定距离信息，提取被测物体三维形状的数据。被动式测量方法常常用于对目标的识别
