基于散焦光栅投影的快速三维测量若干关键技术分析

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1、第一章绪论弟一早瑁比1．1光学三维测量技术综述随着计算机技术的不断发展，二维图像已经无法满足人们对物体轮廓信息的需求，获取现实世界中物体的三维信息变得日益重要，三维测量技术得到了长足的发展11’引。相比于较为常见的二维图像，三维数据则更加具体、精确地反映了物体的真实形貌和几何参数。由此可见，获取物体精确三维信息有广阔的应用范围。在工业生产领域，各类工件以及产品的三维数据对质量控制等工业生产流程产生深远影响[4]；在航空航天领域，测量航天器的三维数据对于性能分析和故障检测具有重要意义pJ：在生物医学领域，人体器官以及人体的三维信息能辅助生物研究和

2、医学临床诊断[6J，例如帮助实现人类人体数字化建模的“虚拟人”计划；在考古学以及文物保护领域，获取文物的三维信息能在不接触文物的前提下完成，并且建立网上数字博物馆供人们足不出户访问。在其他各个行业，如娱乐、交通运输、地理信息、电子商务等，三维测量技术都能促进其发展，改善人们的体验。因此，三维测量技术已经成为人们关注和研究的热点，新的三维测量方法和产品不断涌删“⋯J。根据测量设备是否与被测物体接触，三维测量技术可以分为接触式和非接触式。接触式三维测量方法最早出现在20世纪60年代，典型代表是三坐标测量机【l¨，它使用机械探头直接接触被测物体表面，

3、通过移动探头逐点获取被测物体表面的空间三维坐标，从而恢复出物体的三维表面轮廓。三坐标测量机的产品较多，如德国zeiss公司最新的F25三坐标测量机，其配备了触发式测头和光学测头，有单点和扫描测量两种方式，可测量尺寸为100×100×100mm3及以上，不确定度不超过250啪。三坐标测量技术测量精度高，对待测物体的颜色及反光性无特殊要求，但其不适于测试柔性物体，且接触法易对被测工件造成损害，另外，价格昂贵、对使用环境要求高、测量速度慢、测量数据密度低等缺陷也会影响该技术的应用。非接触式三维测量方法主要采用光、声、电磁等方法实现测量，如超声波测距、

4、计算机断层扫描测量方法等。随着光电检测技术、计算机技术和信息技术日渐成熟，基于光学的非接触式测量方法成为物体三维测量的主要方法。光学三维测量技术是一门以光学为基础，融合计算机图形学、数字图像处理、数字信号处理等诸多学科的现代测量技术【l引。非接触式三维测量方法包括被动式测量和主动式测量。被动式测量方法不提供光源，根据多个相机获取的图像特征点匹配信息得到被测物体三维数据。典型的被动式测量方法为双目立体视觉法【1引。东南大学硕士学位论文主动式测量方法通常利用结构光投影进行测量获取三维信息114J。通过光源向待测物体投射预先设计好的结构光图像，结构光

5、场受到物体表面轮廓调制，成为携带物体高度信息的变形光场，相机将采集到的变形光场图像传送至计算机，通过算法分析处理得到物体的三维点云，点云经过适当处理即可得到三维模型。主动式测量方法精度较高、无需复杂测量设备、测量范围灵活多变，成为主流光学三维测量技术。在各类新兴技术不断涌现的今天，光学三维测量技术及其商业化产品3D扫描仪(3Dscallner)经过长期的技术积累，正不断出现在人们的视野中。如果把各类技术按照技术成熟度和期望值分类，可以大致描述技术的发展趋势及周期，如图1一l所示。图中，技术发展的各个阶段依次为“创新萌芽(IIlnovationT

6、rigger)”、“期望值最顶点(Peal【ofInnatedExpe洲ion)”、“下调预期至低点(Tbu曲ofDisillusion)”、“回归理想(SlopeofEnli曲tenment)”、“生产率平台(PlateauofProductivity)”。越往左，所列出的技术越新潮，处于概念阶段：越往右，所列出的技术就越成熟，逐渐进入商业化应用，发挥出提高生产率的作用。纵轴代表人们的预期值，对于一种新技术通常会随着认识的深入，预期不断升高，媒体加以炒作而到达顶峰；随之因技术瓶颈或其他原因，预期逐渐下降至低点，但随着技术成熟后，期望又重新上升

7、，重新积累用户，然后就到了可持续增长的健康轨道上来。由图中可发现，3D扫描仪技术处于“回归理想”阶段的中后期，意味着其技术趋向于成熟，应用前景十分广阔，具有较高的研究价值以及实用价值。№。训Hh翩村h'：曲螂eteo融ss饥黼2ye斟s口2协5姆耐s●5tol0撺a噶Amo池嫩黼10弹誉§谤酶融e碑盹柏图l一1各类技术的发展趋势(2014)第～章绪论在光学三维测量领域中，基于光栅图像的三维测量方法近年来逐渐成为主流技术，多款光学三维测量设备均采用基于光栅图像方法获取三维点云。随着数字图像处理和信号处理等技术的发展和成熟，一些新的或者已有的技术不

8、断被学者们应用到光学三维测量领域。如将信号处理领域中的快速傅立叶变换Il5

9、、小波变换【161和经验模态分解㈣等方法应用于光栅条纹分析，将图像处理领域