光學(xué)三維測量PPT課件

1、光學(xué)三維測量 三維測量技術(shù)大體分為接觸式與非接觸式兩類 接觸式測量基本上在坐標(biāo)測量機(jī)(Coordinate Measuring Machine， CMM)上進(jìn)行。坐標(biāo)測量機(jī)是一種大型精密的三坐標(biāo)測量儀器，可以對具有復(fù)雜形狀的工件的空間尺寸進(jìn)行測量。 非接觸式測量技術(shù)基于光學(xué)原理，具有高效率、無破壞性、工作距離大等特點(diǎn)，可以對物體進(jìn)行靜態(tài)或動態(tài)的測量。此類技術(shù)應(yīng)用在產(chǎn)品質(zhì)量檢測和工藝控制中，可大大節(jié)約生產(chǎn)成本，縮短產(chǎn)品的研制周期，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量，因而倍受人們的青睞。第1頁/共20頁光學(xué)三維測量 光學(xué)測量是光電技術(shù)與機(jī)械測量結(jié)合的一門研究。光學(xué)測量主要應(yīng)用在現(xiàn)代工業(yè)檢測。借用計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以實(shí)

2、現(xiàn)快速，準(zhǔn)確的測量。方便記錄，存儲，打印，查詢等等功能。 第2頁/共20頁光學(xué)三維測量 隨著現(xiàn)代檢測技術(shù)的進(jìn)步，三維測量技術(shù)逐步成為人們的研究重點(diǎn)，特別是隨著激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及圖像處理技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展，使得光學(xué)式三維測量技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。第3頁/共20頁光學(xué)非接觸式三維測量技術(shù) 光學(xué)式非接觸式三維測量技術(shù)根據(jù)獲取三維信息的基本方法可分為兩大類：被動式與主動式兩大類。 被動式是在自然光(包括室內(nèi)可控照明光)條件下，通過攝像機(jī)等光學(xué)傳感器攝取的二維灰度圖像獲取物體的三維信息。 主動式是利用特殊的受控光源(稱為主動光源)照射被測物，根據(jù)主動光源的已知結(jié)構(gòu)信息（幾何的、物體的、光學(xué)的)獲取

3、景物的三維信息。第4頁/共20頁光柵投影三維測量技術(shù) 光柵投影三維測量技術(shù)是一種主動式非接觸三維測量技術(shù)。 光柵投影三維測量技術(shù)以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融光電子學(xué)、圖像圖形處理、計(jì)算機(jī)控制、機(jī)器視覺等技術(shù)為一體，在工業(yè)生產(chǎn)控制與檢測、機(jī)器人視覺、空間遙感、醫(yī)學(xué)診斷以及社會安全等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。 它的基本原理是用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生正弦投影條紋，經(jīng)數(shù)字投影儀投射到物體表面，條紋經(jīng)物體表面調(diào)制產(chǎn)生變形，用CCD攝像機(jī)將變形條紋拍攝下來，再利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行相位場提取、相位恢復(fù)，得到絕對相位值，最后經(jīng)系統(tǒng)標(biāo)定、坐標(biāo)變換可得物體表面的三維數(shù)據(jù)。 第5頁/共20頁光柵投影三維測量技術(shù)第6頁/共20頁光柵投影三維

4、測量技術(shù)攝像機(jī)和光柵投影相關(guān)參數(shù)：攝像機(jī)和光柵投影相關(guān)參數(shù)：光心Op和 Oc 、兩光心之間的距離成像平面和投影光柵攝像機(jī)坐標(biāo)、參考坐標(biāo)PP，Ph第7頁/共20頁光柵投影三維測量技術(shù)Ph在未放置物體時(shí)，假設(shè)由投影儀射出的一束光線投射于參考面上的點(diǎn)；當(dāng)放置被測物體后，該入射光線的投射點(diǎn)變?yōu)槲锩嫔系狞c(diǎn)。從攝像機(jī)的角度觀察，被物面進(jìn)行高度調(diào)制后，光線從原點(diǎn)移至點(diǎn)?？衫斫鉃榫€段中帶有的高度信息，只要能夠從攝像機(jī)所拍攝的圖像中解算出高度，并將該過擺擴(kuò)展到整個(gè)平面上所有的點(diǎn)，即可得到高度矩陣hx,yAB第8頁/共20頁光柵投影三維測量技術(shù)攝像機(jī)和光柵投影相關(guān)參數(shù)：攝像機(jī)和光柵投影相關(guān)參數(shù)：根據(jù)相似三角形原理

5、式中公點(diǎn)B到點(diǎn)A的位移可以通過被調(diào)制光柵圖像的相位來求得。當(dāng)原參考面上的B點(diǎn)變?yōu)锳點(diǎn)時(shí)，相應(yīng)地，B點(diǎn)對應(yīng)光柵條紋的相位 也變?yōu)锳點(diǎn)處的相位 。位移BA包含了包含了物體表面上點(diǎn)的高度信息（即），BA可以通過下式求得Phl-hBAAhBAlhdAB第9頁/共20頁數(shù)字光柵投影技術(shù)原理攝像機(jī)和光柵投影相關(guān)參數(shù)：攝像機(jī)和光柵投影相關(guān)參數(shù)：Phl-h,ABx y0=,/ 2BAx yhBAlhd所以0.,2/lx yhx yd相位重建方法恢復(fù)絕對相位相位重建方法恢復(fù)絕對相位第10頁/共20頁光柵投影三維測量技術(shù)軟件系統(tǒng)組成：第11頁/共20頁光柵投影三維測量技術(shù)存在的問題 目前，仍存在以下幾個(gè)問題: 1

6、）陰影和盲區(qū)問題 測量受被測物表面散射特性的限制，必須滿足“光線所及（光線能照到)和視線所及(能被觀察到)”兩個(gè)條件，對于光線不可及或視線不可及的地方，形狀測量則無法實(shí)現(xiàn)，出現(xiàn)陰影和盲區(qū)問題。 2）表面不連續(xù)問題 當(dāng)表面不連續(xù)時(shí)，條紋相對級次不確定，就會造成解調(diào)相位不準(zhǔn)確。第12頁/共20頁光柵投影三維測量技術(shù)存在的問題 3）圖像的預(yù)處理 4）相位去包裹 通過相移法求得的相位值都是折疊在- +的主值區(qū)間，必須對相位進(jìn)行去包裹(Phase unwrpping)處理，正確地恢復(fù)出被折疊的2n才能求得真實(shí)的相位值。 5) 大曲面的測量 6 )系統(tǒng)的測量精度 由于測量系統(tǒng)的像差效應(yīng)、透鏡的畸變效應(yīng)、C

7、CD的非線性效應(yīng)及圖像采集板的量化效應(yīng)等，都會給相移測量法帶來很復(fù)雜的非線性系統(tǒng)誤差，這些因素都降低了相移測量法的測量精度。第13頁/共20頁數(shù)字條紋投影三維測量技術(shù)可研究的方向 一. 提高光柵投影三維測量精度 歐 美 一 些 國 家 以 及 日 本 在 光 學(xué) 三 維 測 量 技 術(shù) 方 面起 步 比 較 早。近年內(nèi)相繼推出了不同型號的測量系統(tǒng) 國內(nèi)清華大學(xué)，上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、 東南大學(xué)等多所高校也在跟蹤、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,對結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。 國內(nèi)目前國內(nèi)在光柵投影三維測量最高精度可達(dá)0.008mm，但測試視場較小在100X75mm范圍內(nèi)，仍然具有進(jìn)一步

8、提升的空間。第14頁/共20頁光柵投影三維測量技術(shù)可研究的方向 一. 提高光柵投影三維測量精度 意義 1. 激光掃描三維測量耗時(shí)長，精度一般 2. 市面上的3D相機(jī)雖然精度高um級價(jià)格昂貴3.3. 采用了正弦光柵投影和相移技術(shù)，能以較低廉的光學(xué)、電子和數(shù)字硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，以較高的速度和精度獲取和處理大量的三維數(shù)據(jù)。第15頁/共20頁光柵投影三維測量技術(shù)可研究的方向提高光柵投影三維測量精度15X15mm第16頁/共20頁光柵投影三維測量技術(shù)可研究的方向 二. 提高光柵投影三維測量速度-實(shí)時(shí)性 2006年德國的研究人員結(jié)合幾何光學(xué)中的平行光軸系統(tǒng)，提出的結(jié)合三步相位移算法進(jìn)行實(shí)時(shí)三維測量，測量速度高達(dá)30frame/s。 2010年提出基于投影儀散焦的快速三維光學(xué)測量方法，實(shí)現(xiàn)了速度達(dá)到667frame/s的非在線測量, 2010 K.L 提出基于雙頻光柵的快速實(shí)時(shí)三維測量，實(shí)時(shí)測量120frame/s 在軍工、安防、電子行業(yè)產(chǎn)品檢測具有重要的應(yīng)用價(jià)值第17頁/共20頁光柵投影三維測