基于条纹投影的复杂物体体积测量装置(2)
1.2 国内外研究概况、水平和发展趋势 目前，三文形貌检测技术按照原理分类，可以分为传统的接触式测量以及当今热门的非接触式测量。接触式主要是利用探头与被测物体接触，从而通过探头的三文坐标的位置在计算机中获得物体的点云数据。虽然传统的物体三文形貌测量法发展了很长时间且技术较为完善，，但是对于一些无法触碰，易被划伤，体积较大的物体进行测量时其应用范围便会受到一些限制。因此，非接触式物体三文形貌测量便成为了目前主要的研究方向。目前三文形貌测量的方法主要有飞行时间法、莫尔条纹法、干涉测量法以及结构光法等。 早在1993年，T.E.Carlsson[5]就提出了飞行时间法来测量物体的三文面型。这种测量方法是利用发射到物体上的脉冲被反射回接收传感器，同时一束参考脉冲通过光纤传被传感器接收，因此通过两束脉冲产生的时间差便可以计算出为距离，从而便可以求出物体反射点的三文数据，恢复出物体的形貌。时间渡越法典型测量分辨率约为一毫米，由于其精度较低，因此并不适合精密零件的检测。 H.Takasaki[6]于 1970 年提出了利用莫尔条纹来测量地貌形貌。莫尔条纹技术的关键是两个光栅，一个是主光栅，另一个是参考光栅，从而可以产生等高条纹并且被 CCD相机所分辨[7]。但是，高分辨率的实现具有很高的复杂度，并且与结构光技术相比需要一个高功率的光源。但是该方法仍有较大的缺点，即无法利用较小的光栅测量较大的物体[8]。同时，为提高测量精度，必须减少栅距，但是测量范围就会减小。因此莫尔条纹法不能同时保证较高的测量精度以及较大的测量范围，因此并不适合工业测量的要求。 T.Maack和G.Notni[9]等人于1995年提出了利用干涉法来测量物体表面的三文坐标。 1996年，L.S.Wang[10]提出了利用干涉测量方法测量物体的三文形貌。干涉测量法是利用相干光干涉从而获得物体形貌的测量方法。干涉测量法精度极高（可达到波长级），但是它对于物体表面形貌以及光滑度有较高的要求，因此不适合测量较为光滑并且表面斜率较大的物体 [11]。 K.Leonhardt 和 U.Droste[12]于 1994 年提出利用条纹投影来测量物体表面形貌。条纹投影法属于结构光测量法，是利用投影仪将条纹图投影到被测物体表面，从而被测物体的深度信息便被编码成一个变形的条纹图案，然后通过照相机进行采集记录。利用相位提取技术对获得的编码图像进行相位提取解码从而获得物体的三文形貌。它避免了提取云纹中心线、确定云纹级数物体的凹凸性等过程，而且可以自动判别物体的凹凸性，因此图像处理易于实现自动化、具有较高的精度和灵敏度[1]。 随着时代的发展，越来越多的国内研究结构都开始了对三文形貌测量技术进行了深入的学习和研究。如南京理工大学研发的基于多频外差相移条纹投影的三文形貌轮廓测量装置，如四川大学研发的基于光栅条纹投影的三文形貌测量系统[13]等，都是利用条纹投影法通过投影结构光来测量物体的三文形貌。此方法已经是三文形貌测量技术中最为领先、最为精确的。相信将该技术不断地完善后，会成为国内三文形貌检测主要应用的方法。
1.3 本文所做的工作 主要工作如下： 1) 在参阅了国内外数十年关于三文形貌测量文献的基础上，对莫尔条纹法、 激光扫描法、飞行时间法等常用的传统的三文形貌测量技术的原理和内容进行了解和研究。对条纹投影三文形貌测量技术的原理，研究现状以及发展趋势进行了深入的学习。 2)深入研究了摄像机以及投影仪的标定技术，详细分析阐述了两种角点提取技术的原理以及算法流程。同时研究学习了线性标定和平面标定两种标定方法的内容与理论，并通过实验以线性标定方法计算出摄像机的标定参数。 3)在三文形貌测量的基础上提出了体积测量算法，并通过实验获取被测物体的三文形貌，计算出被测物体的实际体积。