资源描述：
《基于结构光图像法的三维曲面重构技术.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第23卷第3期湖北民族学院学报(自然科学版)Vol.23No.32005年9月JournalofHubeiInstituteforNationalities(NaturalScienceEdition)Sep.2005基于结构光图像法的三维曲面重构技术谭勇(湖北民族学院信息工程学院,湖北恩施445000)摘要:提出了一种基于编码结构光的新型三维重构技术的原理和系统的标定方法.这种技术以条纹变形作为物体三维信息的加载和传递工具,以CCD摄像机作为图像获取器件,通过计算机软件处理,对颜色信息进行分析、解码,通过已标定的系统计算来获取物体的三维面
2、形数据.对该系统进行了理论分析,并以石膏像模型为对象进行了具体实验,得到了较满意的结果.关键词:反求工程;三维测量;结构光中图分类号:TP391.41文献标识码:A文章编号:1008-8423(2005)03-0277-03逆向工程是新近迅速发展起来的一个领域,它在飞机、汽车、船舶、玩具制造业和其他涉及自由曲线曲面的工业领域内得到了广泛的应用.其中,三维曲面重构技术是逆向工程中的难点之一.传统的三维曲面重[1]构技术可以分为:(1)接触测量法:包括手动方法、三坐标测量机中的接触式测量方法等;(2)非接触式测[2,3]量方法,如投影光栅法、激
3、光扫描测量法等.一般来说,接触式测量法精度高,但是速度慢,而且只适合测量几何形状简单的物体.非接触测量方法速度较快,但是一般精度不高.本文研究了一种基于结构光和神经网络的三维曲面重构方法,这种非接触测量方法测量速度很快,精度也有所提高,达到0105mm左右.1测量原理采用激光作为光源的三角测量法又叫做光切法,它是一种基于三角测量原理的主动式结构光编码测量技术.通过将一系列激光线结构光投射到三维物面上,利用CCD摄取物面上的二维变形线图像,即可解算出相应的三维坐标.如图1所示,对物体表面任一点P(x,y,z)来说,其平面坐标值(x,y)的原始
4、形式由CCD摄像机很方便地记录下来,而物体的深度z值可以通过a计算出来,也就是通过条纹的编号记录下来.设p为P点在CCD摄像机中的成像点,其在以镜头中心O为原点的坐标系中的坐标为(u,v),f为摄像机的焦距,b为光源中心与摄像机中心的距离,a是被测点与光源中心形成的直线和X轴的夹角.然后可以对其进行以下公式推导:f/u=z/x(1)(b-x)/z=cota即:x=bu/(fcota+u)(2)同理,在YOZ平面上有:图1系统原理示意图f/v=z/yFig.1Sketchmapofthesystemprinciple(3)x/y=u/v收稿日
5、期:2005-02-151作者简介:谭勇(1967-),男,讲师,主要从事于计算机应用研究.湖北民族学院学报(自然科学版)第23卷这样,通过式(2)、(3)可求出:xuby=v(4)fcota+uzf这样,只需要知道系统的b、f值以及每条条纹的a值,结合图像上的(u,v)坐标,就可以准确的计算出曲面上任一点的三维坐标.2系统的标定求取系统的b、f值以及每条条纹的a值的过程称为系统的标定过程.设投影条纹数为n条,则共有n+2个参数,即aii=1,2,⋯,n、b和f,这样至少需要n+2个标定点才能求出系统参数.当标定点多于n+2时,利用最小二乘
6、法可以精确求出系统参数,但是计算过程比较复杂.采用另外一种方法,分别来求这些系统参数.首先在同一条纹上至少取三个已知点,其三维坐标为(xi,yi,zi)i=1,2,⋯,n,图像坐标分别为(ui,vi)i=1,2,⋯,n.因为这些点在同一条纹上,其a值相等,所以有:f=zivi/yi(5)xiyjuj-xiyjuib=(i≠j)yjui-xivj由式(4)、(6)两式可求得:-1(b-xi)uiai=cot(6)xif然后依次在每条条纹上分别取若干点,通过式(7)可以分别求出aii=1,2,⋯,n.3实验结果为了验证本文介绍的结构光三维成像技
7、术的可行性,根据图1设计了实验方案,实验装置主要由结构光发生器、图像采集系统以及图像处理系统和三维信息提取系统组成.为了简化光线投射角a的计算过程,并解决光线遮挡的问题,实验中把结构光发生器垂直放置,与Z轴平行.结构光采用条纹状的单色激光,用胶片拍摄色调值分布具有一定规律的条纹状图案,然后将该胶片图2投射条经纬度模板放置于激光源前,通过激光投影得到条纹结构光.结构光图案的制作主Fig.2Longitudinalandlatitudinaltemplateofprojectionfringe要考虑三个因素:单色光颜色、底色以及底色条纹与单色条
8、纹的宽度比.图2为投射条纹的模板,中间粗条纹的a值为0.采用一个立体石膏像来做实验验证和误差分析.实验之前,利用一个三坐标测量机来准确测量该石膏像的真实三维信息.然后再利用结构光
