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摘要

面结构光学三维测量技术是针对漫反射物体三维形貌测量的重要非相干光三维传感技术。这种技术因具有速度快、非接触、高精度等优点，在工业检测、生物医学、逆向工程、文物保护等检测领域，得到了广泛地关注与应用。本文以提高面结构光三维测量系统的精度为目标，重点对图像去噪、系统标定进行了研究。低噪声的变形条纹图可极大降低相位提取的误差，提高系统的测量精度。本文首次将曲波变换去噪方法用于面结构光三维测量技术，并通过理论分析和实验研究验证该方法的可靠性。同时与去噪性能较好的小波变换去噪方法进行对比，得出小波变换和曲波变换去噪方法均有较好的去噪能力，但在针对含有空间孤立的截断面形或者跃变面形的变形条纹图进行去噪时，曲波变换更胜一筹。实验结果表明，小波变换易引起边缘模糊且改变了边缘位置，曲波变换去噪方法在有效去除噪声的同时，很好保留了图像中纹理的边缘细节信息，确保了相位解调的准确性，达到提高测量系统精度的目的。

三维重建的精度与系统标定的准确度密切相关。基于传统面结构光三维测量系统的标定方法有较严格的几何约束条件，如平行性、垂直性等。这些将严重影响该系统标定的灵活性和准确性。本文针对传统系统几何结构的局限性，提出一种任意摆放面结构光三维测量模型，以提高系统标定的灵活性及系统测量的准确性。同时，本文介绍了几种常见的系统标定方法，分析了传统系统标定技术的优势和缺陷，基于CCD 相机标定技术原理，并结合任意摆放测量系统，提出一种操作灵活、实用的系统标定技术，以提高面结构光三维测量设备的测量精度。该标定技术无需使用精准位移平台或者3D 标准件，仅将标定板随意放置于测量视场中不同空间位置，便可同时完成纵向标定和横向标定，且适用于传统的测量系统。实验结果证明，本文提出的任意摆放测量系统模型及相应的系统标定技术具有很强的灵活性和实用性，系统稳定性好。结合曲波图像去噪技术，显著提高系统的测量精度，最高测量精度可达20μm。

关键词：三维面形测量，面结构光，系统标定，图像去噪，高精度

目录

第一章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 光学三维面形测量方法概述

1.2.1 被动三维面形测量

1.2.2 主动三维面形测量

1.3 面结构光三维测量技术的国内外研究现状

1.3.1 核心技术研究进展

1.3.2 仪器设备发展现状

1.4 本文主要研究内容

1.5 本章小结

第二章 高精度面结构光三维测量系统原理与理论分析

2.1 单CCD 面结构光三维测量系统的基本原理

2.1.1 远心投影面结构光三维测量系统模型

2.1.2 发散照明面结构光三维测量系统模型

2.1.3 任意摆放的面结构光三维测量系统模型

2.2 物体表面相位分布提取方法

2.2.1 相移法

2.2.2 相位展开

2.3 测量精度影响因素分析

2.3.1 系统标定

2.3.2 条纹图像预处理

2.4 本章小结

第三章 基于曲波变换的条纹图像去噪方法研究

3.1 传统去噪方法面临的挑战

3.2 曲波变换基本理论

3.2.1 Ridgelet 变换

3.2.2 Curvelet 变换理论分析及实现过程

3.2.3 两种快速离散Curvelet 变换算法

3.3 基于曲波变换的阈值折衷去噪方法

3.3.1 硬阈值函数

3.3.2 软阈值函数

3.3.3 折衷阈值函数

3.4 曲波变换图像去噪仿真结果分析

3.5 曲波变换对三维测量精度的提高

3.5.1 实验装置与系统搭建

3.5.2 实验过程与结果分析

3.6 本章总结

第四章 高精度面结构光三维测量系统的标定方法研究

4.1 CCD 相机标定方法

4.1.1 参考坐标系简介

4.1.2 CCD 相机针孔模型

4.1.3 CCD 相机畸变模型

4.1.4 CCD 相机标定流程

4.2 面结构光三维测量系统标定

4.2.1 传统的系统标定

4.2.2 基于任意摆放测量系统的标定方法

4.3 基于任意摆放模型的系统标定实验

4.3.1 实验装置与系统搭建

4.3.2 系统标定实验结果与分析

4.4 实验误差分析

4.4.1 系统标定误差

4.4.2 成像误差

4.4.3 计算方法误差

4.5 本章总结

第五章 结论和展望

5.1 本论文研究总结

5.2 前景展望

致 谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果

本论文研究总结

基于条纹投影的面结构光三维测量方法是采用普通非相干光源的主动光学三维测量技术，具有精度高、速度快、非接触等优点。相位解调、相位展开和系统标定技术是这种测量技术的难点和重点，而且这些技术直接影响了面结构光三维测量技术的精度。其中，针对跃变物体(如阶梯状物体)进行准确相位解调也是相关研究中最具挑战性的内容之一。本文为提高对跃变物体(如阶梯状物体)相位解调的准确度，首次将曲波变换去噪方法用于面结构光三维测量技术，并通过理论分析、仿真和实验研究验证该方法的可靠性。另外，本文重点研究了基于条纹投影的面结构光三维测量系统及系统标定方法，提出一种任意摆放的测量系统及灵活、实用的系统标定技术，并通过实验研究证明该测量系统的准确性和可靠性。

首先，正确设立面结构光三维测量系统是进行三维检测的基础。本文围绕面结构光三维测量系统展开研究，分析比较了几种典型、传统的面结构光三维测量系统。传统面结构光三维测量系统有较严格的几何约束条件，如平行性、垂直性等。这些将严重影响该系统设定的灵活性和准确性，且在实际测量中不易满足实现。基于此，提出一种系统组件摆放任意的三维测量结构，该结构更符合实际测量环境要求，具有较高的准确度，有利提高面结构光三维测量方法测量精度。同时研究分析影响系统测量精度的因素。

其次，对提高空间截断的三维物体相位提取准确性的问题进行了研究。低噪声的变形条纹图可极大降低相位提取的误差，提高系统的测量精度，本文首次将曲波变换去噪方法用于面结构光三维测量技术，并通过理论分析和实验研究验证该方法的可靠性。同时与去噪性能较好的小波变换去噪方法进行对比，得出小波变换和曲波变换去噪方法均有较好的去噪能力，但在针对含有空间孤立的截断面形或者跃变面形的变形条纹图进行去噪时，曲波变换更胜一筹。实验结果表明，小波变换易引起边缘模糊且改变了边缘位置，曲波变换去噪方法在有效去除噪声的同时，很好保留了图像中纹理的边缘细节信息，确保了相位解调的准确性，达到提高测量系统精度的目的。

再次，对高精度面结构光测量系统的标定方法进行研究。三维重建的精度与系统标定的准确度密切相关，传统的系统标定方法有较严格的几何约束条件，如平行性、垂直性等。这些将严重影响系统标定的灵活性和准确性，且在实际测量中不易满足实现。本文介绍了几种常见的系统标定方法，分析了传统系统标定技术的优势和陷，基于CCD 相机标定技术原理，并结合提出的任意摆放面结构光三维测量系统，提出一种操作灵活、实用的系统标定技术，以提高面结构光三维测量设备的精度。该标定技术无需使用精准位移平台或者3D 标准件，仅将标定板随意放置于测量视场中不同空间位置，便可同时完成纵向标定和横向标定，且适用于传统的测量系统。

最后，利用曲波变换去噪技术，对空间孤立的跃变物体进行计算机仿真测量和实验测量，实验结果证明，基于曲波变换的图像去噪技术能很好地很好保留跃变物体边缘细节信息，能极大提升相位解调的准确性，从而显著提高面结构光三维测量系统的精度。同时，完成对任意摆放面结构光三维测量系统的标定，通过测量不同位置处平板的位移信息，客观展现相机成像系统畸变对测量结果的影响，同时验证系统的测量精度。实验结果表明，基于提出的任意摆放测量系统和相应的系统标定技术，结合曲波变换去噪方法，系统测量精度得到明显提高，测量精度可达0.02mm。另外，通过对人脸面具的测量，证明了该系统稳定性和测量精度的可重复性。

本文工作中的创新点主要表现在以下几个方面：

1. 首次将曲波变换的图像去噪方法用于面结构光三维测量技术相位解调是面结构光三维测量方法的关键步骤，可以说相位解调是否准确将直接影响测量结果的精度。然而CCD 相机获取的变形条纹图像中含有各种复杂的噪声，这将直接对相位解调的结果产生影响。因此，对图像进行去噪处理是首要任务。图像去噪需要兼顾去除噪声和保留图像的细节信息，特对是针对跃变物体(如阶梯状物体)条纹图像去噪，须尽量保留物体的边缘轮廓信息。本论文首次将基于曲波变换的图像去噪技术用于面结构光三维测量中，对变形条纹图进行图像预处理过程，并获得非常理想的效果。实验结果表明了常用的频域滤波、小波变换去噪方法对跃变物体的测量精度有很大影响，例如边缘的模糊化等，严重影响了相位解调的准确性。验证了选用曲波变换去噪方法对提高系统的测量精度的有效性和可靠性。

2. 提出一种任意摆放的面结构光三维测量系统及相应的系统标定技术传统、经典的面结构光三维测量系统有着极为严格的几何光路要求，例如须要CCD 的光轴或者投影仪的光轴垂直于参考平面，同时要求二者镜头的光心须共面且平行于参考面等，这些要求造成系统结构的设立非常不灵活，不适用于室外实际测量环境，限制了该技术的应用。同时传统的测量结构给系统标定也带来诸多不便。为突破这些局限，本文提出一种系统结构完全任意的三维测量模型，给出相应的相位-高度关系及横纵坐标关系，打破了传统结构对投影仪、相机及参考面位置的限制，极大提高测量系统的灵活性。

同时，基于该任意摆放测量系统，提出一种灵活、实用的系统标定方法。常见的标定系统标定方法需要使用精准的位移平台准确移动标定板，这在实际测量中将有诸多不变，可能无法顺利完成系统标定。后来出现了三维标准块进行系统标定，但这种标准块制造困难且成本高，系统标定的测量范围也受标准块尺寸的限制。本文提出的系统标定方法无需位移平台及三维标准块，仅需将标定板随意放置于测量视场内多个位置，以此同时完成高度标定和横向标定。该标定方法基于任意摆放系统，因此可适用于任何面结构光三维测量系统。实验结果表面，这种系统结构易于实现，相应的系统标定的准确性也很高，极大的提高了三维测量技术的测量精度。

基于以上研究，面结构光三维测量系统的纵向精度最高达到0.02mm，横向为0.07mm，测量精度显著提高。同时较大改善了该测量方法的实用性与灵活性。

前景展望

近年来，三维测量技术在机械系统和工作制造过程中的作用和重要性迅速提高，已作为必需的仪器设备用于汽车、模具、工业设计等领域。现代化的工业生产要求测量技术必须实现高精度化，同时也要求实现高速化和高效率化，因此，非接触和高效率的面结构光三维测量技术成为当前精密技术的重要发展方向。高效率、高精度的系统标定方法依然是是条纹投影的三维测量方法研究的重点和难点。同时，对空间截断的三维物体进行快速地、准确地进行相位展开依然是具有挑战性的任务，这需要对条纹图进行高质量的校正、去噪等预处理过程。基于本文的工作，今后还可以在以下几个方面进行深入研究：

1) 提高相位展开效率

改进相位提取与展开的算法，除了对空间截断的孤立区域进行相位展开之外，还应尽量提高相位展开效率，真正达到实时测量。

2) 提高物体三维面形的测量效率

传统的工业生产中，制造和检测常常是分开的，测量信息对制造过程没有直接影响。而现代制造业要求测量技术要参与到制造过程，实现现场在线测量。该方法将为实时检测提供了有效的解决方案，一方面需要硬件的提高，如采用高速计算机、高速相机和高速投影技术等；另一方面需要对算法进行改进，尤其是快速法相位解调算法。

3) 进一步提高系统的标定效率和精度这种面结构光三维测量方法对系统标定的要求较高，并且过程比较繁琐，标定的精度直接影响了物体三维形状的重建精度。很有必要对标定方法进行进一步的研究、优化，提高标定效率和精度。

作者简介

作者姓名：赵必玉

毕业院校：电子科技大学 成都

申请学位：硕士

学科专业：光学工程

指导教师：岳慧敏 副教授

论文日期 2015.04.14

评阅人：李剑锋 （副教授） 汪平河 （副教授）

本文仅做学术分享，如有侵权，请联系删文。

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