第一章  緒論 

1.1 課題研究的背景及意義 
隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、光學(xué)成像技術(shù)和光電子信息技術(shù)不斷取得高速發(fā)展，光學(xué)三維傳感測量技術(shù)也取得了快速的發(fā)展[1,2]�；诠鈱W(xué)成像、光電子信息、光信息圖像處理等的光學(xué)三維測量技術(shù)具有快速測量、大量數(shù)據(jù)采集、非接觸性測量、高精度恢復(fù)等優(yōu)點(diǎn)，，使得其在逆向工程、產(chǎn)品檢驗(yàn)、文物遺產(chǎn)保護(hù)、影視特技、生物醫(yī)學(xué)、地質(zhì)勘測等領(lǐng)域顯露出了其潛在的應(yīng)用價值。 目前，已經(jīng)被應(yīng)用于生產(chǎn)過程的實(shí)時檢測等方面。比如，飛機(jī)外殼檢測、汽車車體檢測、機(jī)械零器件面型檢測、輪機(jī)葉片檢測等的檢測。此外，該測量技術(shù)具有非接觸測量的優(yōu)點(diǎn)，能夠避免對被測物體表面造成損傷，因此這種方法還對文物的復(fù)原和保護(hù)等具有重要意義。但要絕大多數(shù)文物具有豐富的彩色信息，要想實(shí)現(xiàn)文物數(shù)字化保護(hù)，需要結(jié)合光學(xué)三維測量技術(shù)和紋理映射技術(shù)。本文正是基于此提出了一種新的算法，利用結(jié)構(gòu)光學(xué)三維測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對物體的三維重構(gòu)，并利用紋理映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)物體表面紋理信息恢復(fù)。 若只是簡單獲取物體的三維輪廓信息，它還不具備人們對物體真實(shí)感的要求，不能令人滿意。實(shí)際上，真實(shí)的物體表面具有非常復(fù)雜的紋理信息，而正是因?yàn)橛辛诉@些紋理信息人們才能夠輕易的區(qū)分出不同的物體。比如，我們在試驗(yàn)過程中所用到的彩蛋，若不考慮彩蛋表面紋理信息差別，那么大小相同的彩蛋所恢復(fù)出的三維形貌是完全一樣的。但問題是，我們能確定我們所恢復(fù)的彩蛋是哪一個彩蛋嗎？結(jié)果顯然是不能的。對于文物復(fù)原和其他物體恢復(fù)亦是如此，因此，對物體表面紋理信息恢復(fù)的研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。 
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1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前，國內(nèi)外已經(jīng)有許多相關(guān)的高校和企業(yè)對結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并取得了可觀的理論和應(yīng)用成果。國內(nèi)，首先是以四川大學(xué)蘇顯渝教授為代表的團(tuán)隊(duì)，他們提出了許多新技術(shù)，如離焦結(jié)構(gòu)光三維測量、調(diào)制度三維測量、π相移結(jié)構(gòu)光三維測量和動態(tài)場景結(jié)構(gòu)光三維測量等等[3]，發(fā)表了許多關(guān)于此方面研究的學(xué)術(shù)論文。這些新的研究成果對國內(nèi)外三維測量技術(shù)的研究都具有很重要而深遠(yuǎn)的意義。此外，以天津大學(xué)、東南大學(xué)、以及華中科技大學(xué)等為代表的科研機(jī)構(gòu)和團(tuán)隊(duì)為光學(xué)三維測量的研究做出了重要貢獻(xiàn)。在產(chǎn)品的應(yīng)用上，國內(nèi)的許多企業(yè)也大都擁有結(jié)構(gòu)光三維測量儀器，其中，影響力較大的公司有深圳市精易迅科技有限公司、上海數(shù)造三維科技有限公司、深圳華朗科技有限公司等。國外，自 20 世紀(jì) 80 年代 Mitsuo Takeda 及其團(tuán)隊(duì)提出傅里葉變換輪廓術(shù)以來，結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)取得了快速發(fā)展。University of Kentucky 團(tuán)隊(duì)在數(shù)字投影結(jié)構(gòu)光非線性分析校正與高速結(jié)構(gòu)光三維測量方面的研究也取得了明顯成果，由該團(tuán)隊(duì)提出的高速結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)，通過利用絕對相位編碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對三維物體的快速測量[4]。此外，許多國外的知名企業(yè)還生產(chǎn)出了眾多高質(zhì)量的三維測量產(chǎn)品，比如由 GOM 公司的生產(chǎn)的ATOS，由于使用了投影矩形條紋的技術(shù)，不但能夠滿足多尺度測量而且設(shè)備操作相對簡單，更重要的是其具有很高的測量精度。與其水平相近的產(chǎn)品還有英國雷尼公司的CYCLON 和德國的 Steinbichler 公司的 COMET T-Scan 等。 進(jìn)入新世紀(jì)以來，伴隨著科技水平的不斷提高，人們對三維測量的相關(guān)研究也取得了較大的突破。這方面主要有傅里葉變換輪廓術(shù)（Fourier Transform Profilometry，F(xiàn)TP） [5-10]、相位測量輪廓術(shù)（Phase  Measuring  Profilometry，PMP）和莫爾輪廓術(shù)(Moiré Profilometry)等。 
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第二章  基本原理及算法改進(jìn) 

2.1 相位測量輪廓術(shù)原理 

相位測量輪廓術(shù)是一種采用結(jié)構(gòu)光照明的非接觸三維面形測量方法，是目前被廣泛使用的主動三維測量技術(shù)之一[31]。這種方法需要利用正弦光柵投影和數(shù)字相移技術(shù)，以光學(xué)、數(shù)字電子等硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，能夠處理大量的數(shù)據(jù)信息，具有測量速度快和恢復(fù)精度高等特點(diǎn)[32,33]。相位測量輪廓術(shù)作為一種重要的三維光學(xué)傳感方法，目前該方法已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)檢測、文物復(fù)原、3D 仿真、醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測等諸多領(lǐng)域。 相位測量輪廓術(shù)是通過將 N 幀具有一定相移量的條紋圖投影到被測三維物體的表面，條紋圖因受到物體高度的調(diào)制影響使得投影條紋發(fā)生形變，其對應(yīng)的振幅和相位都發(fā)生了變化，形成了 N 幅包含物體高度信息的變形條紋圖。標(biāo)準(zhǔn)的 N 幀相移算法由于能夠?qū)ο到y(tǒng)的隨機(jī)噪聲起到很好的抑制作用，而且對 N-1 次以下的諧波誤差敏感度非常低  [34,35]。物體的三維形貌重構(gòu)過程通常需要經(jīng)過相位計(jì)算、相位展開、誤差分析補(bǔ)償、參數(shù)標(biāo)定與三維重建等一系列復(fù)雜運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)。 目前，相位展開的算法有許多種，但總體上可以將這些算法歸為兩大類即空間相位展開法(Spatial phase unwrapping) [36]和時間相位展開法(Temporal phase unwrapping)。時間相位展開方法是由 Huntley 與 Saldner 在 1993 年提出的，其本質(zhì)思想是使光柵條紋的頻率隨著時間的變化而變化，該方法最大的優(yōu)點(diǎn)就是能夠準(zhǔn)確的對表面不連續(xù)的物體輪廓進(jìn)行測量[37,38]。該方法與傳統(tǒng)的空間相位展開方法不同之處是使用時間相位展開需要更多的投影條紋圖像，由于我們知道投影的條紋圖像越多則其所包含的物體信息就越豐富，因此該算法的恢復(fù)精度要比空間相位展開法的恢復(fù)精度高很多。本文在通過對相位測量輪廓術(shù)進(jìn)行深入研究后，給出了三維測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖 2-1。

 

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2.2 紋理映射技術(shù) 
近年來隨著計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的快速發(fā)展，人們越來越關(guān)注對圖像真實(shí)感的追求，真實(shí)感圖像不僅要求圖像具有復(fù)雜的外觀，一般還要求有更加復(fù)雜的形態(tài)�；诖思y理映射技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，目前已經(jīng)成為了一種獲取復(fù)雜場景圖像的重要技術(shù)手段。隨著該技術(shù)被成功應(yīng)用到計(jì)算機(jī)模擬仿真、影視動畫特效、虛擬場景實(shí)現(xiàn)等諸多領(lǐng)域中，人們的生活環(huán)境也變得更加豐富多彩。紋理客觀反應(yīng)了物體表面某種屬性，它通常包含了所要表達(dá)物體的大部分信息，例如物體表面呈現(xiàn)出的彩色信息及凹凸不平的溝紋信息等等。紋理函數(shù)通常的定義方式有兩種即連續(xù)法和離散法，而目前較為常用的定義方式是離散法，該方法是把紋理定義到一個二維數(shù)組里面，數(shù)組在紋理空間中表示為一組固定在網(wǎng)格交叉點(diǎn)上的紋理數(shù)值[48]。網(wǎng)格交叉點(diǎn)之間其他交叉點(diǎn)的紋理值的獲得則是通過對相鄰網(wǎng)格交叉點(diǎn)上的紋理數(shù)值進(jìn)行插值計(jì)算得到的[49,50]。最后通過建立二維紋理空間和三維景物空間之間的一一對應(yīng)關(guān)系，將二維紋理信息映射到三維物體的表面，進(jìn)而使得物體表面具有豐富的二維紋理信息。連續(xù)法則是把紋理定義為一個二元函數(shù)，且函數(shù)的定義域就可以表示為紋理空間[51]。目前，紋理的分類方式有許多種分法。根據(jù)紋理定義域的不同，可以將紋理分為二維紋理和三維紋理，根據(jù)其表現(xiàn)形式的不同又可以分為顏色紋理、幾何紋理及過程紋理三類[52]。 
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第三章  測量處理系統(tǒng) ......... 21 
3.1 硬件采集系統(tǒng) ..... 21 
3.1.1 采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ....... 21 
3.1.2 采集系統(tǒng)實(shí)物圖 ............ 24 
3.2 軟件控制與處理系統(tǒng)開發(fā) ............ 25 
3.3 本章小結(jié) .... 29 
第四章  計(jì)算機(jī)仿真與誤差分析 ........... 31 
4.1 計(jì)算機(jī)仿真 ......... 31 
4.1.1 2+1 相移算法仿真 ......... 31 
4.1.2 改進(jìn) 2+1 相移算法仿真 ......... 33 
4.2 仿真誤差分析 .... 34 
4.2.1 2+1 相移算法誤差分析 .......... 34 
4.2.2 改進(jìn) 2+1 相移算法誤差分析 .......... 35 
4.3 本章小結(jié) .... 35 
第五章  改進(jìn) 2+1 相移算法實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析 .......... 37 
5.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 .... 37 
5.1.1 三維重構(gòu)實(shí)驗(yàn) ....... 37
5.2 物體紋理信息恢復(fù)實(shí)驗(yàn) ....... 39 
5.3 實(shí)驗(yàn)誤差分析 ..... 40
5.4 本章小結(jié) .... 43 

第三章  測量處理系統(tǒng) 

本章旨在介紹基于相位測量輪廓術(shù)的快速獲取物體三維形貌的非接觸式測量處理系統(tǒng)，從測量系統(tǒng)的硬件和軟件兩個方面分別作了詳細(xì)介紹�；谙辔粶y量輪廓術(shù)的快速獲取物體三維形貌的非接觸式測量處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速獲得物體的三維形貌信息及紋理信息，并且處理分析軟件能夠很好的處理捕捉畫面信息，具有處理速度快、恢復(fù)誤差小的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的獲得物體三維形貌和恢復(fù)紋理信息。為了能夠滿足實(shí)驗(yàn)的需要，課題組還開發(fā)了能夠與硬件采集系統(tǒng)結(jié)合使用的綜合控制軟件和編寫了一整套實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、處理、分析程序。 

3.1 硬件采集系統(tǒng) 
硬件采集系統(tǒng)是采集系統(tǒng)的硬件組成部分，主要用于條紋圖的投影、變形條紋圖的捕捉及被測物體位置固定等。本課題在實(shí)驗(yàn)過程中所用到的硬件系統(tǒng)主要有：計(jì)算機(jī)、數(shù)字投影儀、工業(yè) CCD 相機(jī)、移動位移臺（含控制箱等）及實(shí)驗(yàn)?zāi)＞叩炔糠帧；诒菊n題實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 3-1 所示： 由硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖即圖 3-1 可知，移動位移臺和工業(yè)數(shù)字相機(jī)都要通過計(jì)算機(jī)來控制，為了便于本系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)我們使用的移動位移臺和工業(yè)數(shù)字相機(jī)的接口都是 USB 接口，因?yàn)槟壳按蟛糠值挠?jì)算機(jī)都有不少于兩個的 USB 接口，所以這兩種設(shè)備可以很方便的與計(jì)算機(jī)上的 USB 接口進(jìn)行通訊。數(shù)字投影儀上的接口端連接到計(jì)算機(jī)上的 VGA視頻接口端來實(shí)現(xiàn)通訊。一般情況下一臺計(jì)算機(jī)就能夠完成移動位移臺的控制、數(shù)字投影儀投影條紋圖、數(shù)字相機(jī)的拍攝圖片及對采集得到的各種圖像信息進(jìn)行分析處理等一系列工作。 實(shí)驗(yàn)中移動位移臺一方面能夠起到支撐和固定測量物體的作用，另一方面還可以起到控制測量物體移動的距離和扭轉(zhuǎn)的角度的作用。使被測量物體與數(shù)字相機(jī)及數(shù)字投影儀之間滿足三維測量的實(shí)驗(yàn)要求。移動位移臺主要由底座板、移動平板、控制箱和連接線等硬件部分組成�？刂葡涫且苿游灰婆_的控制系統(tǒng)，本實(shí)驗(yàn)中使用到的控制箱是與移動位移臺相匹配的 SC300 系列位移臺控制箱，SC300 系列移動位移臺控制箱是新一代 3軸點(diǎn)對點(diǎn)位置定位控制系統(tǒng)[67]。SC300 系列移動位移臺控制箱還具有很多的其他優(yōu)點(diǎn)，比如性價比非常高、控制行程大、絕對位置與參考位置顯示模式、具有很強(qiáng)的抗干擾能力而且使用操作非常便捷等。
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總結(jié) 

基于條紋投影的主動光學(xué)三維測量技術(shù)，以其測量的非接觸、恢復(fù)精度高、測量速度快等優(yōu)點(diǎn)，一直是研究人員研究的熱點(diǎn)。而傳統(tǒng)的三維形貌技術(shù)一般只注重實(shí)現(xiàn)物體三維信息的獲取，往往忽略了對物體表面紋理信息的恢復(fù)�；诖�，本文提出了基于相位測量輪廓術(shù)的快速獲取物體三維形貌和紋理信息的算法，以求實(shí)現(xiàn)物體三維形貌獲取和紋理信息恢復(fù)。首先，將編碼得到的兩幅復(fù)合彩色正弦相移光柵圖投影到被測三維物體表面，并利用彩色 CCD 相機(jī)拍攝因受到物體高度調(diào)制而發(fā)生變形的條紋圖；其次，對彩色變形條紋圖進(jìn)行解碼，將解碼得到的六幅圖進(jìn)行重新組合，每三幅圖分成一組分別用于實(shí)現(xiàn)三維物體重構(gòu)和紋理信息恢復(fù)；最后，使用文中提出的改進(jìn) 2+1 相移算法重構(gòu)物體三維形貌和恢復(fù)物體紋理信息。計(jì)算機(jī)模擬仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果均表明該方法能夠快速、高精度的實(shí)現(xiàn)三維重建和物體紋理信息恢復(fù)。論文主要完成工作及成果簡要概述如下： 
1.  闡述了本論文研究的背景及實(shí)際意義，詳細(xì)介紹了當(dāng)前結(jié)構(gòu)光三維測量技術(shù)和 紋理映射技術(shù)的國內(nèi)外最新研究狀況及論文研究的主要內(nèi)容。 
2.  介紹了相位測量輪廓術(shù)和紋理映射技術(shù)的基本原理，著重講述了“N 步相移算 法”、“2+1 相移算法”和  “改進(jìn) 2+1 相移算法”。還對彩色模型和顏色編碼與解編碼的一般方法作了詳述。
3.  論文對實(shí)驗(yàn)過程需要的硬件采集系統(tǒng)、軟件采集系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理分析軟件作了 明確的介紹，在 VB 的開發(fā)環(huán)境下，對軟件采集控制系統(tǒng)進(jìn)行了基本功能模塊軟件開發(fā)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用該系統(tǒng)能夠滿足實(shí)驗(yàn)的要求。因?yàn)樵摐y量系統(tǒng)軟件平臺實(shí)現(xiàn)了對移動位移臺和 CCD 相機(jī)的同步控制，因此大大節(jié)約了實(shí)驗(yàn)時間，提高了采集的實(shí)時性。同時，在 MATLAB 開發(fā)環(huán)境下編寫出一整套數(shù)據(jù)處理分析程序，能夠完成從實(shí)驗(yàn)條紋碼的生成到三維物體復(fù)原的全部數(shù)據(jù)處理分析工作，達(dá)到了實(shí)驗(yàn)的基本要求。 
4.  在 MATLAB 開發(fā)環(huán)境下編寫出一套計(jì)算機(jī)模擬仿真程序，實(shí)現(xiàn)了改進(jìn) 2+1 相移 算法中三維重建的仿真及仿真誤差分析的目的。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：84521