基于数字条纹投影三维形貌测量技术探究和实现

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1、基于数字条纹投影三维形貌测量技术探究和实现　　摘要：根据投影机和照相机的光学成像原理，借用双目测量系统的标定方法搭建了一套测量精度高、标定过程自动化的基于数字条纹的三维形貌测量系统，并采用最新的相位展开技术用较少的条纹图像完成相位展开，通过对人脸石膏像进行测量实验，验证了系统模型和测量方法的正确性。关键词：数字条纹；标定；形貌测量；相位展开；三维重构中图分类号：TN710?34；TP391.4文献标识码：A文章编号：1004?373X（2013）23?0099?04Researchandimplementationof3?Dprofilemeasurementtechniqueba

2、sedondigitalfringeprojectionLONGJia?le1，2，CHENGRui1，ZHANGJian?min2（1.DepartmentofElectronicandInformationEngineering，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074，China；2.SchoolofInformationEngineering，WuyiUniversity，Jiangmen529020，China）10Abstract：Accordingtotheprincipleofopticalimagin

3、gofprojectorandcamera，athree?dimensionalprofilemeasuringsystembasedondigitalfringeisconstructedbyusingthecalibrationmethodofbinocularvisionmeasuringsystem，whichhastheadvantagesofautomatedcalibrationandhighaccuracy.Thenewestphaseunwrappingmethodwhichuseslessfringepatternsisemployed.Experimentso

4、naplasterhumanheadmodelareconductedtoconfirmthesystemmodelandthemeasuringmethod.Keywords：digitalfringepattern；calibration；profilemeasurement；phaseunwrapping；three?dimensionalreconstruction0引言随着各种光学器件和技术应用于照相机和投影机，非接触式光学测量方法得到快速发展，并广泛应用到工业自动检测、逆向设计、生物医学、文物复制、人体测量等众多领域中[1]。光学三维测量技术按照成像照明方式的不同通常可

5、分为被动三维测量和主动三维测量两大类。10其中主动三维测量技术采用不同的投射装置向被测物体投射设计好的结构光，并拍摄经被测物体表面调制而发生变形的结构光图像，然后从携带有被测物体表面三维形貌信息的图像中计算出被测物体的三维形貌数据[2]。传统的系统大都采用理想的数学模型，需要使用参考平面。这种测量系统不能得到精确的三维坐标；硬件的位置关系要求十分严格，可操作性差，标定过程麻烦。基于数字条纹投影的三维形貌测量技术是目前很有发展前景的非接触式主动测量，它在获取物体表面三维数据时一般分为两大步骤：先通过对变形条纹的分析获取相位图，再对相位图进行展开操作。目前，应用最广泛的条纹分析技术是傅

6、里叶变换轮廓术（FourierTransformProfilometry，FTP）和相移测量轮廓术（PhaseShiftingProfilometry，PSP）两种。值得注意的是，不管是FTP还是PSP都是利用三角函数反求相位，相位结果分布在[[-π，π）]，必须要进行相位展开操作使得相位是连续变化的。现在的主要相位展开方法主要有空间相位展开技术（SpatialFrequencyAnalysis）和时间相位展开技术（TemporalFrequencyAnalysis）。基于多频率投影条纹的时间相位展开技术是通过对同一物体在不同时刻投影多个频率的条纹以获取更多信息的方式，使得相位展开

7、不再依赖相邻点信息和展开路径。这种计算方法快速简单，目前应用较广，但也存在不足，主要是计算效率和可靠性有待进一步提高。1测量系统设计10本文采用的三维形貌测量系统由一个照相机和一个投影机组成，测量时使用投影机向被测物体投射一组光强呈正弦分布的条纹图像，并使用照相机同时拍摄经被测物体表面调制而变形的条纹图；利用拍摄得到的变形图像，根据相位计算方法得到绝对相位；最后根据预先标定的系统参数从绝对相位计算出被测物体表面的三维数据。如图1所示。图1设计的测量系统文献[3]中S.