基于數字光栅投影的結構光三維測量技術與系統研究

【摘要】

相位測量輪廓術是目前使用最為廣泛的一種結構光三維形貌測量技術，在工業檢測、品質控制、逆向設計、醫學、虛拟現實、文物數字化和人體測量等衆多領域具有廣泛的應用前景。現有的商品化相位測量裝置多使用實體光栅作為光栅圖像投射裝置，開發和使用成本昂貴，限制了該技術在中小企業的推廣和應用。為此，本文對基于數字光栅投影的相位測量輪廓術中的相位計算、相位誤差補償、系統參數标定、相位-高度映射和彩色紋理擷取等關鍵問題進行系統研究，力圖開發出适合中小企業的低成本、高精度、高穩定性的，可同時擷取被測物體三維形貌和彩色紋理的結構光三維測量系統，并擴充其應用範圍。

相位計算包括相位主值計算和相位展開兩個過程，是相位測量輪廓術的基礎内容。本文系統介紹了現有的相位移原理和相位展開算法，并在對比各算法優缺點的基礎上，選擇使用四步相移算法和多頻外差原理進行相位主值計算和相位展開，并通過實驗驗證了本文所選的算法能夠準确的完成複雜物體和表面不連續物體的相位計算。

在相位計算過程中，光栅圖像非正弦化是相位誤差的主要來源。本文系統闡述了光栅圖像的非正弦化過程，通過理論分析、模拟實驗和實際測量，分析了非正弦化引起的相位誤差的特征，并在此基礎上，提出了一種基于相位誤差查找表的通用相位誤差補償算法。實驗結果表明本文算法能夠有效減小相位誤差、提高測量精度。系統參數标定是結構光三維測量技術中的關鍵問題之一，其标定精度直接決定後續三維重建的精度。為此，本文提出了一種簡單、高精度的系統參數标定算法。該算法通過建立精确的相機圖像與投影儀圖像的對應關系，賦予投影儀間接“拍攝”圓形标定點圓心坐标的能力，進而将複雜的投影儀參數标定問題轉化為成熟的錄影機參數标定，并将整個測量系統的參數标定轉換為成熟的雙目立體視覺系統的參數标定。此算法簡單、有效，标定精度高，标定後系統的絕對測量精度可達0.05mm，相對測量精度可達1：5000。

雖然上述系統參數标定算法可以得到較高的測量精度，但是标定過程中很難為系統（尤其是投影儀）找到一種完全合适的投影模型，進而限制了測量精度的進一步提高。為此，本文嘗試利用神經網絡強大的函數逼近能力來建立系統的相位-高度映射關系。介紹了本算法所使用的神經網絡結構和訓練原理，并詳細說明了樣本采集的過程。通過對比誤差補償前後神經網絡訓練的收斂速度和訓練精度，證明了由光栅圖像非正弦化引起的相位誤差對網絡訓練精度有明顯影響，該對比實驗同時也證明了本算法由于在樣本采集和後續測量過程中可以友善的對相位誤差進行補償，不受光栅圖像非正弦化的影響，穩定性強。最後通過測量實驗對比了本算法和系統标定算法的測量精度，實驗結果表明基于神經網絡的相位-高度映射算法的測量精度更高。

在文物複制、醫學圖像、虛拟現實等領域，彩色紋理也包含了非常重要的資訊，是以在測量被測物體三維形貌的同時還要擷取物體表面的彩色紋理。本文在色彩空間定義的啟發下，使用三種顔色的圖像來合成被測物體的彩色紋理，賦予黑白相機擷取彩色紋理的能力，并提出了一種簡單的彩色紋理優化算法來改善彩色紋理的品質。

以上研究構成了一套完整的基于數字光栅投影的結構光三維測量技術，為結構光三維測量系統的開發奠定了理論和技術基礎。本文在上述技術基礎上，開發出兩款不同規格的結構光三維測量系統，并在工業檢測、人體測量、文物數字化等領域得到推廣應用。實際應用效果表明，所開發的結構光三維測量系統性能優越，價格優勢明顯，市場潛力巨大。

關鍵詞：結構光三維測量、相位測量、相位計算、相位誤差補償、系統參數标定、相位-高度映射、彩色紋理擷取

【目錄】

摘要

Abstract

1 緒論

1.1 光學三維測量技術簡介

1.2 相位測量輪廓術的國内外研究現狀

1.3 課題來源以及研究目的和意義

1.4 論文主要研究内容

2 穩定高精度的相位計算

2.1 引言

2.2 相位移原理

2.3 相位展開算法

2.4 實驗與優化

2.5 本章小結

3 相位誤差分析與補償

3.1 引言

3.2 光栅圖像非正弦化過程與誤差分析

3.3 數值模拟

3.4 實驗分析

3.5 相位誤差補償

3.6 本章小結

4 系統參數标定算法

4.1 引言

4.2 錄影機參數标定研究現狀

4.3 系統參數标定原理

4.4 實驗與讨論

4.5 本章小結

5 基于神經網絡的相位-高度映射算法

5.1 引言

5.2 神經網絡結構與原理

5.3 樣本采集與訓練

5.4 測量實驗與讨論

5.5 本章小結

6 基于黑白相機的彩色紋理擷取與優化

6.1 引言

6.2 原理

6.3 實驗

6.4 本章小節

7 結構光三維測量系統的研發及應用

7.1 引言

7.2 結構光三維測量系統的研發

7.3 推廣及應用情況

7.4 本章小結

8 基于結構光三維測量技術的探索性研究

8.1 引言

8.2 大型物體三維測量

8.3 動态物體實時三維測量

8.4 熱态物體三維測量

9 結論與展望

9.1 主要結論

9.2 研究展望

緻謝

參考文獻

附錄1攻讀博士期間撰寫的學術論文、專利及軟體著作權

【課題來源】

華中科技大學快速制造中心從1999年開始從事光學三維測量技術方面的研究，|先後得到湖北省自然科學基金創新群體項目“快速制造關鍵技術”（編号：2004ABC001）、粵港關鍵領域重點突破項目“金屬熔化快速成型技術及成套裝備的研究和産業化”（編号：2007498212）、十一五國防預研項目（項目名稱和編号保密）和華中科技大學創新基金（第一屆）的資助，本課題來源于上述項目的部分研究内容。

【研究目的和意義】

如前所述，結構光三維測量技術與其它三維測量技術相比具有巨大的優勢，目前國内外已推出了多種結構光三維測量系統，并得到了廣泛的應用，這充分說明了結構光三維測量技術具有強大的生命力和巨大的應用潛力。但是，目前商品化的系統，尤其是德國公司推出的先進系統，價格還十分昂貴，國内衆多中小企業還無力購買這一先進的逆向設計與品質檢測工具，嚴重制約了企業快速開發新産品的能力。是以，本文的主要目的是：研究并突破基于數字光栅投影的結構光三維測量技術中的關鍵技術；開發出适合中小企業的低成本、高精度、高穩定性的結構光三維測量系統；并擴充其應用範圍，為提高我國中小企業的創新能力提供技術支援。

【主要内容】

典型的基于數字光栅投影的結構光三維測量系統的結構簡圖如圖1.8。此系統由一個CCD錄影機和一個DLP投影儀組成，測量時使用DLP投影儀向被測物體投射一組光強呈正旋分布的光栅圖像，并使用CCD錄影機同時拍攝經被測物體表面調制而變形的光栅圖像；然後利用拍攝得到的光栅圖像，根據相位計算方法得到光栅圖像的絕對相位值；最後根據預先标定的系統參數或相位-高度映射關系從絕對相位值計算出被測物體表面的三維點雲資料。本文針對上述過程中涉及的相位計算、相位誤差補償、系統參數标定等多個關鍵技術進行系統研究。

論文的主要内容如下：

第一章，介紹光學三維測量技術的基本背景知識，通過比較與分析現有三維測量技術的優缺點，确定結構光三維測量技術為本文的主要方向；然後介紹結構光三維測量技術的國内外研究現狀，并引出本文的研究内容。

第二章，首先詳細介紹相位移原理和多種相位移算法及其特點，并針對本文所開發的結構光測量系統的硬體情況，選擇合适的相移算法作為光栅圖像相位主值的計算方法；然後論述相位展開算法的發展過程與常用的相位展開算法，并選擇一種穩定高精度的相位展開算法。

第三章，系統分析光栅圖像的非正弦化過程及其對相位計算的影響，通過理論分析、模拟實驗和實際測量對非正弦化引起的相位誤差進行分析，并提出一種相位誤差補償算法，提高相位計算的精度。

第四章，提出一種簡單、高精度的系統參數标定算法，該算法通過精确建立相機圖像與投影儀圖像的對應關系，賦予投影儀“拍攝”标定點圓心的能力，進而将投影儀的參數标定轉化為成熟的錄影機參數标定，進而将整個結構光測量系統的參數标定轉換為成熟的雙目立體視覺系統的參數标定。

第五章，提出一種基于神經網絡的相位-高度映射算法，在介紹該算法所使用的神經網絡結構和訓練原理的基礎上，詳細說明訓練樣本的采集過程，并通過對比誤差補償前後神經網絡訓練的收斂速度和訓練精度，證明由光栅圖像非正弦化引起的相位誤差對網絡訓練精度有明顯影響，該對比實驗同時也證明了本算法由于在樣本采集和後續測量過程中可以友善的對相位誤差進行補償，不受光栅圖像非正弦化的影響，穩定性強。

第六章，在色彩空間定義的啟發下，使用三種顔色的圖像來合成被測物體的彩色紋理，賦予黑白相機擷取彩色紋理的能力，并提出一種簡單、有效的彩色紋理優化算法來改善擷取的彩色紋理品質，最後通過實驗驗證本文算法的有效性。

第七章，在前述研究内容的基礎上，開發出兩種不同規格的結構光三維測量系統，并列舉兩種系統在工業測量、人體測量、文物數字化和玩具三維測量等領域的具體應用案例，證明本文開發的結構光測量系統具有良好的應用前景。

第八章，對基于結構光三維測量技術的大型物體、動态物體和熱态物體三維測量技術進行了探索性研究，介紹三個方向的研究意義，并制定研究方案，為課題組的後續研究工作提供指導和借鑒。

第九章，對全文進行總結，并對未來的工作進行展望。

【主要結論】

本文針對基于數字光栅投影的結構光三維測量技術中的相位計算、相位誤差補償、系統參數标定、相位高度映射和彩色紋理擷取等關鍵技術進行了系統研究，取得了以下主要成果：

（1）實作了穩定高精度的相位計算

本文在對比各種相移算法的基礎上，選取了對随機噪音和偶次諧波具有較好抑制作用的标準四步相移算法作為光栅圖像相對相位值的計算方法；然後，在系統分析現有相位展開算法優缺點的基礎上，重點介紹了兩種工業界主流的相位計算方法，并選取了基于多頻外差原理的相位展開算法作為本文系統的相位展開方法；最後通過标準四步相移算法和多頻外差原理實作了穩定高精度的相位計算。

（2）提出并實作了一種簡單高精度的相位誤差補償算法在基于數字光棚投影的結構光測量技術中，光栅圖像光強分布的非正弦化是相位計算的主要誤差源。本文在對光栅圖像光強分布的非正弦化引起的相位誤差進行理論分析、數值模拟和實驗分析的基礎上，研究了相位誤差的分布規律，并提出了一種簡單、高精度的相位誤差補償算法。本文所提算法通過直接分析測量标準平面時的相位誤差，并将其量化存儲在一個相位誤差查找表（LUT）中，測量過程中使用已建立的相位誤差查找表對相位誤差進行補償。實驗結果顯示本文所提相位誤差補償算法能夠将相位計算精度提高5.6倍。

（3）提出并實作了一種高精度的系統參數标定算法本文提出了一種高精度的系統參數标定算法，該算法通過使用标定闆在水準和垂直兩個方向的絕對相位值，建立錄影機圖像與投影儀圖像之間的一一對應關系，進而使得投影儀能夠間接“拍攝”标定所需的圖像，進而将複雜的結構光系統參數标定轉化為成熟的雙目立體視覺标定。使用本文所提的參數标定算法能夠實作結構光測量系統的簡單、高精度參數标定，且無需輔助的位移裝置，具有良好的柔性。實驗結果顯示，使用本文算法标定後，标準型結構光三維測量系統的絕對測量精度可達0.05mm，相對測量精度可達1：5000，可以滿足大部分複雜曲面測量的精度要求。

（4）提出并實作了一種基于神經網絡的相位-高度映射算法本文提出了一種基于神經網絡的相位-高度映射算法，闡述了該算法所使用的神經網絡結構和訓練原理，并詳細說明了樣本采集的過程。通過對比誤差補償前後神經網絡訓練的收斂速度和訓練精度，證明了由光栅圖像非正弦化引起的相位誤差對網絡訓練精度有明顯影響，該對比實驗同時也從另外一個角度說明了本算法由于在樣本采集和後續測量過程中可以友善的對相位誤差進行補償，不受光栅圖像非正弦化的影響，穩定性強。此外，還通過測量實驗對比了本算法和第四章所提的基于相機實體模型的系統标定算法的測量精度，實驗結果表明基于神經網絡的相位高度映射算法能夠得到更高的測量精度。

（5）提出并實作了一種基于黑白相機的彩色紋理擷取方法本文使用三種顔色的圖像來合成被測物體的彩色紋理，賦予了黑白相機彩色紋理的擷取能力，并提出了一種簡單的彩色紋理優化算法來改善擷取的彩色紋理。實驗結果表明，利用本算法改進後的結構光測量系統，可以同時擷取被測物體的三維形貌和彩色紋理，具有良好的應用前景。

（6）成功研發了兩款低成本、高精度、高可靠性的結構光三維測量系統本文在前述理論與技術基礎上，建構了一整套基于數字光栅投影的結構光三維測量技術，研制開發出兩款不同型号的适合中小企業的低成本、高精度、高穩定性的結構光三維測量系統，并在工業檢測、人體測量、文物數字化等領域得到推廣應用。實際應用效果表明，所開發的結構光三維測量系統性能優越，價格優勢明顯，大大降低了我國中小企業使用這一先進技術的門檻，對提高我國中小企業的新産品開發能力具有重要作用。

（7）提出了基于結構光的大型物體、動态物體和熱态物體三維測量技術的研究方案在結構光三維測量技術研究的基礎上，對大型物體三維測量、動态物體實時三維測量和熱态物體三維測量三個重要領域進行了探索研究，并取得了初步成果：

1）在大型複雜零部件的三維測量方向，提出了将室内GPS技術與結構光三維測量技術相結合的組合式大型空間精密測量新方法。已在此方向申請了中國發明專利（一種組合式空間精密測量系統.申請号：200810197119.7）。

2）在動态物體的實時三維測量方向，拟在本文前述結構光測量技術研究的基礎上，采用基于GPU計算的模式，設計基于大規模、細粒度并行計算的相位展開算法、運動誤差補償算法以及立體重構算法，構造一個有效的實時三維測量系統。此方向的研究工作正在申請中國發明專利。

3）在熱态物體三維測量方向，拟在本文前述結構光測量技術研究的基礎上，根據熱态物體的光譜特性，改變投射的光栅圖像的顔色，并在CCD相機前添加合适的實體濾光鏡，以減小熱态物體對拍攝的光栅圖像品質的影響。此方向的研究工作正在申請中國發明專利，并與中國第一重型機械集團公司聯合，成功申請了“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項中的“大型鑄鍛件熱态線上測量技術”課題。

【研究展望】

本文的研究工作還存在很多需要改善與擴充的地方，期望後續的研究着眼于以下幾個方面的問題：

（1）研究表面色彩變化強烈的物體的三維形貌測量技術當被測物體表面顔色變化劇烈時，使用本文開發的結構光三維測量系統進行測量時，在顔色突變的區域會産生較大的測量誤差，可考慮使用三種不同顔色的光栅條紋對此類物體進行測量。與現有的灰階條紋圖像不同的是，使用三種不同顔色的光栅條紋在解相過程中，對每個圖像像素均可選擇光強較大的一組光栅圖像進行解相，以減小被測物體表面顔色對測量精度的影響。此外，對于本文所提的彩色紋理擷取方法，還需進一步研究測量距離、環境光、物體表面顔色等多種因素的影響，以優化擷取的彩色紋理。

（2）研究并實作基于結構光的大型物體、動态物體和熱态物體三維測量技術在結構光三維測量技術的基礎上，研究室内GPS技術與結構光測量技術相結合時的坐标轉換問題，實作大型物體三維測量；研究穩定的、可細粒度并行處理的相位展開算法、運動誤差補償算法和基于GPU計算的三維重構算法，實作動态物體實時三維測量；研究熱态物體不同溫度下的光譜特性，改進現有的結構光三維測量技術，實作熱态物體三維測量。此外，還需針對具體行業開發具有特定功能的三維點雲資料處理軟體，将上述三維測量技術擴充到航空航天、三維動畫、醫學、虛拟現實等多個領域。

【作者簡介】

學位申請人：李中偉

申請學位：博士

學科專業：材料加工工程

指導教師：史玉升·教授       王從軍·副教授

答辯日期：2009年5月21日

論文位址：在公衆号「3D視覺工坊」，背景回複「李中偉」，擷取完整版pdf論文文獻下載下傳連結。