复杂面形的光学三维测量相关技术研究

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1、Y822632中图分类号：TN247密级：单位代号：11903学号：00228019上海大学⑧博士学位论文SHANGHAIUNIVERSITYDoCToRALDISSERTATIoN题复杂面形的光学三维测量目相关技术研究作者学科专业导师完成日期何海涛机械电子工程陈明仪教授2005年2月上海大学博上学位论文摘要逆向11程是随着计算机技术的发展和成熟以及数据洲量技术的进步而迅速发展起来的一fJ新兴学科与技术。它的出现，改变了原来CAD系统中从图纸到实物的设计模式，为产品的迅速开发以及快速原型化设计提供了一条新的途径。逆向!Ir：程的第一步是获取样件的三维数据，从已知的采样数据点出发，才能实现复杂曲

2、面的建模、改进、制造。本文依托上海市光科技专项课题“先进制造中的光学三维传感与重建系统研制”，以条纹投射测堵系统在逆向工程中的应用为着眼点，主要研究复杂面形的光学测量及其相关技术，为逆向丁程提供一个高效、高精度的物体面形数据采集方法。本文选择DLP投影机作为条纹投射设备，CCD摄像机作为条纹图像记录设备，鞫建了以条纹投射技术为原理的多视角测量系统，并研制出具有自主知识产权的仪器装置和配套测量软件。为了利用该测量系统实现复杂面形的三维测量这一目的，本文对相关技术进行了研究。1、单视角测量的相位分割技术本文综合分析了包裹相位的解包裹技术，表明变频条纹投射结合时域相位解包袋技术是解决相位不连续，含有

3、噪声点的相位解包裹最有效的方法。由于零件的几何结构，如不连续台阶、含有孔、洞的曲面等复杂面形，以及条纹投射时局部镜面反射，遮挡造成的阴影，暗背景等情况，单视角测量时部分区域不可测，即该区域测得的数据是不可靠的。为剔除这类无效数据，本文提出了采用基于调制度阐值自动分割技术．利改进的基于调制度——背景共生矩阵模型的最大熵处理方法，通过计算调制厦——背景共生矩阵的二维闻值，指导相位分割，自动识别物体轮廓有效测量区域。剔除后单视角缺损的一些数据可以通过改变自14量视角和曲面拼接技术来恢复。2、条纹投射系统标定技术传统的条纹投射测量系统必须满足一定的约束条件，因此存在系统标定可操作性不强，耗时且精度不易

4、保证的问题。本文对测量系统的一般几何设置情况作了详细的推导与分析，提出了一种标定新方法：借助一个专门设计的含有黑白格的标定面板．引入摄像机横向标定技术，亚像素级提取方格顶点为特征控制点，采用基于神经网络的修正方法对参考平面的横向坐标进行误差补偿，获得标定参考面图像对应像素的精确横向坐标分布：取板上向色方格区域的相位数据对标定板平面的相位分布作最小二乘拟合，获得整个像面的连续理论相位分布，进而同时实现相位——深度和横向坐标的标定操作，得刘三维坐标与到像像素的映射关系。该技术使得标定过程大大简化，提高了标定的可操作性和检测精度。3、基于虚拟圆柱的多视角拼接技术多视角拼接技术的基本思想是：使相邻予视

5、角部分重叠，利并j重叠区域面形信息建立其相对空间位置关系，据此利用坐标变换将多视角面形统一于同一坐标系下。圆柱坐标下多孔径扫描拼接技术的迭代算法，解决了三维物体特别是回转物体面形的拼接测量，其关键住于坐标变换方程的线性简化，以及误差求解与坐标变换的迭代操作，保证了误差求解的精确性。然而，剧柱坐标下的多孔径扫描拼接方法对复杂面形，例如凹面形状、由多个曲面片构成的非G1连续曲面的拱接测量遇到了困难。为了突破以上限制，本文提出了基丁‘虚拟圆柱的拼接方法。根据被测面形不同视角的重叠区的几何特征，构造虚拟圆柱，使得其局部面形的近似回转轴与虚拟圆柱的轴线重合，将原圆柱坐标系平移到一个新的位置一一移动后的z

6、轴与虚拟圆柱的轴线重台．于是圆柱坐标下的多视角拼接算法在这个“虚拟的劂柱坐标系一下就适用了。该方法成功地将圆柱坐标下多孔径拼接技术适用的范嗣扩展【：海人学博【：学位论文到不局限丁只具有单一回转轴特征的表面的拼接测量，有效地扩大了重叠扫描拼接方法的适用范围，为测量三维复杂物体表面特别是多视角测量获得的含有无效区域的曲面拼接问题打r了理论基础。4、实用化利削以上技术，本实验室研制出了基于条纹投射技术的光学三维传感与重建系统，包括}_

7、j丁获取=维物体面形数据的测量样机一台，具有用户友好界面的光学三维测量软件系统一套，以及三维建模和快速成型加工平台几个部分。通过实际工件的测量及重建结果实例，证实了本

8、文中研制的用于逆向工程的数据采集的仪器系统达到设计任务1S所要求的各项技术指标及要求，完成了对零件的三维测量工作，初步实现数据获取、处理，与成熟的CAD／CAE／CAM系统相集成。它的成果推动了光学三维测量技术走向实州化。关键词：逆向工程，条纹投射技术，相位分割，系统标定，多视角拼接，虚拟圆柱II!塑盔堂竖．!!兰些笙兰——ABSTRACTReverseengineering(RE)isanews