基于相位测量轮廓术的快速获取物体三维形貌和纹理信息研究

发布时间：2016-08-04 09:56

第一章  绪论 

1.1 课题研究的背景及意义 
随着计算机科学技术、光学成像技术和光电子信息技术不断取得高速发展，光学三维传感测量技术也取得了快速的发展[1,2]。基于光学成像、光电子信息、光信息图像处理等的光学三维测量技术具有快速测量、大量数据采集、非接触性测量、高精度恢复等优点，，使得其在逆向工程、产品检验、文物遗产保护、影视特技、生物医学、地质勘测等领域显露出了其潜在的应用价值。 目前，已经被应用于生产过程的实时检测等方面。比如，飞机外壳检测、汽车车体检测、机械零器件面型检测、轮机叶片检测等的检测。此外，该测量技术具有非接触测量的优点，能够避免对被测物体表面造成损伤，因此这种方法还对文物的复原和保护等具有重要意义。但要绝大多数文物具有丰富的彩色信息，要想实现文物数字化保护，需要结合光学三维测量技术和纹理映射技术。本文正是基于此提出了一种新的算法，利用结构光学三维测量技术实现对物体的三维重构，并利用纹理映射技术实现物体表面纹理信息恢复。 若只是简单获取物体的三维轮廓信息，它还不具备人们对物体真实感的要求，不能令人满意。实际上，真实的物体表面具有非常复杂的纹理信息，而正是因为有了这些纹理信息人们才能够轻易的区分出不同的物体。比如，我们在试验过程中所用到的彩蛋，若不考虑彩蛋表面纹理信息差别，那么大小相同的彩蛋所恢复出的三维形貌是完全一样的。但问题是，我们能确定我们所恢复的彩蛋是哪一个彩蛋吗？结果显然是不能的。对于文物复原和其他物体恢复亦是如此，因此，对物体表面纹理信息恢复的研究具有很重要的现实意义。 
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1.2 国内外研究现状
目前，国内外已经有许多相关的高校和企业对结构光三维测量技术进行了广泛而深入的研究，并取得了可观的理论和应用成果。国内，首先是以四川大学苏显渝教授为代表的团队，他们提出了许多新技术，如离焦结构光三维测量、调制度三维测量、π相移结构光三维测量和动态场景结构光三维测量等等[3]，发表了许多关于此方面研究的学术论文。这些新的研究成果对国内外三维测量技术的研究都具有很重要而深远的意义。此外，以天津大学、东南大学、以及华中科技大学等为代表的科研机构和团队为光学三维测量的研究做出了重要贡献。在产品的应用上，国内的许多企业也大都拥有结构光三维测量仪器，其中，影响力较大的公司有深圳市精易迅科技有限公司、上海数造三维科技有限公司、深圳华朗科技有限公司等。国外，自 20 世纪 80 年代 Mitsuo Takeda 及其团队提出傅里叶变换轮廓术以来，结构光三维测量技术取得了快速发展。University of Kentucky 团队在数字投影结构光非线性分析校正与高速结构光三维测量方面的研究也取得了明显成果，由该团队提出的高速结构光三维测量技术，通过利用绝对相位编码技术实现了对三维物体的快速测量[4]。此外，许多国外的知名企业还生产出了众多高质量的三维测量产品，比如由 GOM 公司的生产的ATOS，由于使用了投影矩形条纹的技术，不但能够满足多尺度测量而且设备操作相对简单，更重要的是其具有很高的测量精度。与其水平相近的产品还有英国雷尼公司的CYCLON 和德国的 Steinbichler 公司的 COMET T-Scan 等。 进入新世纪以来，伴随着科技水平的不断提高，人们对三维测量的相关研究也取得了较大的突破。这方面主要有傅里叶变换轮廓术（Fourier Transform Profilometry，FTP） [5-10]、相位测量轮廓术（Phase  Measuring  Profilometry，PMP）和莫尔轮廓术(Moiré Profilometry)等。 
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第二章  基本原理及算法改进 

2.1 相位测量轮廓术原理 

相位测量轮廓术是一种采用结构光照明的非接触三维面形测量方法，是目前被广泛使用的主动三维测量技术之一[31]。这种方法需要利用正弦光栅投影和数字相移技术，以光学、数字电子等硬件设备为基础，能够处理大量的数据信息，具有测量速度快和恢复精度高等特点[32,33]。相位测量轮廓术作为一种重要的三维光学传感方法，目前该方法已经被广泛应用到工业检测、文物复原、3D 仿真、医学诊断、地质灾害监测等诸多领域。 相位测量轮廓术是通过将 N 帧具有一定相移量的条纹图投影到被测三维物体的表面，条纹图因受到物体高度的调制影响使得投影条纹发生形变，其对应的振幅和相位都发生了变化，形成了 N 幅包含物体高度信息的变形条纹图。标准的 N 帧相移算法由于能够对系统的随机噪声起到很好的抑制作用，而且对 N-1 次以下的谐波误差敏感度非常低  [34,35]。物体的三维形貌重构过程通常需要经过相位计算、相位展开、误差分析补偿、参数标定与三维重建等一系列复杂运算来实现。 目前，相位展开的算法有许多种，但总体上可以将这些算法归为两大类即空间相位展开法(Spatial phase unwrapping) [36]和时间相位展开法(Temporal phase unwrapping)。时间相位展开方法是由 Huntley 与 Saldner 在 1993 年提出的，其本质思想是使光栅条纹的频率随着时间的变化而变化，该方法最大的优点就是能够准确的对表面不连续的物体轮廓进行测量[37,38]。该方法与传统的空间相位展开方法不同之处是使用时间相位展开需要更多的投影条纹图像，由于我们知道投影的条纹图像越多则其所包含的物体信息就越丰富，因此该算法的恢复精度要比空间相位展开法的恢复精度高很多。本文在通过对相位测量轮廓术进行深入研究后，给出了三维测量系统结构框图，如图 2-1。

 

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2.2 纹理映射技术 
近年来随着计算机图形学的快速发展，人们越来越关注对图像真实感的追求，真实感图像不仅要求图像具有复杂的外观，一般还要求有更加复杂的形态。基于此纹理映射技术得到了迅速的发展，目前已经成为了一种获取复杂场景图像的重要技术手段。随着该技术被成功应用到计算机模拟仿真、影视动画特效、虚拟场景实现等诸多领域中，人们的生活环境也变得更加丰富多彩。纹理客观反应了物体表面某种属性，它通常包含了所要表达物体的大部分信息，例如物体表面呈现出的彩色信息及凹凸不平的沟纹信息等等。纹理函数通常的定义方式有两种即连续法和离散法，而目前较为常用的定义方式是离散法，该方法是把纹理定义到一个二维数组里面，数组在纹理空间中表示为一组固定在网格交叉点上的纹理数值[48]。网格交叉点之间其他交叉点的纹理值的获得则是通过对相邻网格交叉点上的纹理数值进行插值计算得到的[49,50]。最后通过建立二维纹理空间和三维景物空间之间的一一对应关系，将二维纹理信息映射到三维物体的表面，进而使得物体表面具有丰富的二维纹理信息。连续法则是把纹理定义为一个二元函数，且函数的定义域就可以表示为纹理空间[51]。目前，纹理的分类方式有许多种分法。根据纹理定义域的不同，可以将纹理分为二维纹理和三维纹理，根据其表现形式的不同又可以分为颜色纹理、几何纹理及过程纹理三类[52]。 
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第三章  测量处理系统 ......... 21 
3.1 硬件采集系统 ..... 21 
3.1.1 采集系统结构 ....... 21 
3.1.2 采集系统实物图 ............ 24 
3.2 软件控制与处理系统开发 ............ 25 
3.3 本章小结 .... 29 
第四章  计算机仿真与误差分析 ........... 31 
4.1 计算机仿真 ......... 31 
4.1.1 2+1 相移算法仿真 ......... 31 
4.1.2 改进 2+1 相移算法仿真 ......... 33 
4.2 仿真误差分析 .... 34 
4.2.1 2+1 相移算法误差分析 .......... 34 
4.2.2 改进 2+1 相移算法误差分析 .......... 35 
4.3 本章小结 .... 35 
第五章  改进 2+1 相移算法实验结果与误差分析 .......... 37 
5.1 实验结果 .... 37 
5.1.1 三维重构实验 ....... 37
5.2 物体纹理信息恢复实验 ....... 39 
5.3 实验误差分析 ..... 40
5.4 本章小结 .... 43 

第三章  测量处理系统 

本章旨在介绍基于相位测量轮廓术的快速获取物体三维形貌的非接触式测量处理系统，从测量系统的硬件和软件两个方面分别作了详细介绍。基于相位测量轮廓术的快速获取物体三维形貌的非接触式测量处理系统能够实现快速获得物体的三维形貌信息及纹理信息，并且处理分析软件能够很好的处理捕捉画面信息，具有处理速度快、恢复误差小的优点，能够很好的获得物体三维形貌和恢复纹理信息。为了能够满足实验的需要，课题组还开发了能够与硬件采集系统结合使用的综合控制软件和编写了一整套实验数据采集、处理、分析程序。 

3.1 硬件采集系统 
硬件采集系统是采集系统的硬件组成部分，主要用于条纹图的投影、变形条纹图的捕捉及被测物体位置固定等。本课题在实验过程中所用到的硬件系统主要有：计算机、数字投影仪、工业 CCD 相机、移动位移台（含控制箱等）及实验模具等部分。基于本课题实验而设计的硬件系统结构图如图 3-1 所示： 由硬件系统结构图即图 3-1 可知，移动位移台和工业数字相机都要通过计算机来控制，为了便于本系统的实验我们使用的移动位移台和工业数字相机的接口都是 USB 接口，因为目前大部分的计算机都有不少于两个的 USB 接口，所以这两种设备可以很方便的与计算机上的 USB 接口进行通讯。数字投影仪上的接口端连接到计算机上的 VGA视频接口端来实现通讯。一般情况下一台计算机就能够完成移动位移台的控制、数字投影仪投影条纹图、数字相机的拍摄图片及对采集得到的各种图像信息进行分析处理等一系列工作。 实验中移动位移台一方面能够起到支撑和固定测量物体的作用，另一方面还可以起到控制测量物体移动的距离和扭转的角度的作用。使被测量物体与数字相机及数字投影仪之间满足三维测量的实验要求。移动位移台主要由底座板、移动平板、控制箱和连接线等硬件部分组成。控制箱是移动位移台的控制系统，本实验中使用到的控制箱是与移动位移台相匹配的 SC300 系列位移台控制箱，SC300 系列移动位移台控制箱是新一代 3轴点对点位置定位控制系统[67]。SC300 系列移动位移台控制箱还具有很多的其他优点，比如性价比非常高、控制行程大、绝对位置与参考位置显示模式、具有很强的抗干扰能力而且使用操作非常便捷等。
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总结 

基于条纹投影的主动光学三维测量技术，以其测量的非接触、恢复精度高、测量速度快等优点，一直是研究人员研究的热点。而传统的三维形貌技术一般只注重实现物体三维信息的获取，往往忽略了对物体表面纹理信息的恢复。基于此，本文提出了基于相位测量轮廓术的快速获取物体三维形貌和纹理信息的算法，以求实现物体三维形貌获取和纹理信息恢复。首先，将编码得到的两幅复合彩色正弦相移光栅图投影到被测三维物体表面，并利用彩色 CCD 相机拍摄因受到物体高度调制而发生变形的条纹图；其次，对彩色变形条纹图进行解码，将解码得到的六幅图进行重新组合，每三幅图分成一组分别用于实现三维物体重构和纹理信息恢复；最后，使用文中提出的改进 2+1 相移算法重构物体三维形貌和恢复物体纹理信息。计算机模拟仿真与实验验证结果均表明该方法能够快速、高精度的实现三维重建和物体纹理信息恢复。论文主要完成工作及成果简要概述如下： 
1.  阐述了本论文研究的背景及实际意义，详细介绍了当前结构光三维测量技术和 纹理映射技术的国内外最新研究状况及论文研究的主要内容。 
2.  介绍了相位测量轮廓术和纹理映射技术的基本原理，着重讲述了“N 步相移算 法”、“2+1 相移算法”和  “改进 2+1 相移算法”。还对彩色模型和颜色编码与解编码的一般方法作了详述。
3.  论文对实验过程需要的硬件采集系统、软件采集系统及数据处理分析软件作了 明确的介绍，在 VB 的开发环境下，对软件采集控制系统进行了基本功能模块软件开发，实验结果表明使用该系统能够满足实验的要求。因为该测量系统软件平台实现了对移动位移台和 CCD 相机的同步控制，因此大大节约了实验时间，提高了采集的实时性。同时，在 MATLAB 开发环境下编写出一整套数据处理分析程序，能够完成从实验条纹码的生成到三维物体复原的全部数据处理分析工作，达到了实验的基本要求。 
4.  在 MATLAB 开发环境下编写出一套计算机模拟仿真程序，实现了改进 2+1 相移 算法中三维重建的仿真及仿真误差分析的目的。 
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参考文献(略)

本文编号：84521