摘 要

随着工业生产和科学技术的发展，光学三维测量在机器人视觉、逆向工程、生物医疗、计算机辅助制造CAD/CAM等领域的应用越来越普遍，有着极为重大的意义。主动光学传感方法由于其具有非接触、全场性、无损伤、高精度、高效率以及易于实现自动化等优点，成为了光学三维测量领域中的研究热点。相位测量轮廓术和傅里叶变换轮廓术是两种比较主流的主动光学传感方法，它们都需要通过反正切函数才能得到相位值，由于反正切函数所得到值的范围被限定在之间，我们得到的并不是实际的相位值，而是实际相位值在区间的主值，即包裹相位。要得到实际的相位值，则需要对包裹相位进行展开，因此相位展开方法已经成为了光学三维测量的研究热点之一。目前，已经有许多相位展开方法被提出，但由于各自存在着种种限制，并不能适用于所有情况。本文在相位展开方面进行研究，提出了一种新的基于几何约束的相位展开方法，这种方法先对包裹相位进行预处理得到多波长包裹相位，然后通过参考根据结构光系统的几何约束人工生成的最小相位图对多波长包裹相位进行相位展开。实验结果表明这种新的相位展开方法是成功的。

关键词：光学三维测量 三步相移 相位展开 几何约束 结构光

ABSTRACT

With the development of industrial production and technology, Optical three-dimensional shape measurement has more and more application in the reverse engineering, biomedical engineering, CAD/CAM, machine vision,and has a very significant significance.Presently,the active 3D optical measurement has been one of the research hot spots in Optical 3D measurement field with the advantages of non-contact,full field,no damage,high accuracy,fast speed and easy to achieve automation.Phase measurement profilometry and Fourier transform profilometry are two more conventional active 3D optical measurement,both of them get the phase value by an arctangent function.Due to the inherent nature of the arctangent function, we get not the actual phase value, but the main value of the actual phase value in the interval of , that is the wrapped phase.In order to obtain the actual phase value, the wrapped phase needs to be unwrapped, so the phase unwrapping method has become one of the research hotspots of optical three-dimensional measurement.At present, there are many phase unwrapping methods have been proposed, but because of their various limitations, and they can not be applied to all cases.In this paper, a new phase unwrapping method using geometric constraints of structured light system is proposed.This method preprocesses the wrapped phase to obtain the multi-wavelength wrapped phase, and then the multi-wavelength wrapped phase is unwrapped by referring to the minimum phase map that is created from geometric constraints of the calibrated structured light system.Experimental results demonstrate the success of this proposed novel absolute phase unwrapping method

Key word:optical 3D shape measurement,three-step phase-shift method,phase unwrapping,geometric constraints,structural light

目 录

第1章 绪论 1

1.1被动三维传感方法 1

1.2主动三维传感方法 3

1.3 相位展开方法 4

1.3.1 相位展开的意义 4

1.3.2 相位展开方法的研究现状及发展趋势 5

1.4 本文的主要研究内容 7

第2章 原理 8

2.1 结构光三维测量系统 8

2.2 三步相移法 9

2.3 对包裹相位图进行预处理 10

2.4 基于几何约束的绝对相位展开方法 12

2.5 分析 13

第3章 实验设计及结果分析 15

3.1 实验设计 15

3.2 对比试验 15

3.3 标准试验 17

3.4 实验结果分析 18

第4章 总结与展望 20

4.1 总结 20

4.2 展望 20

参考文献 22

致谢 24

绪论

目前，三维物体表面轮廓测量（也称三维面形测量）在机器人视觉、质量控制、逆向工程、生物医疗、计算机辅助制造CAD/CAM领域中的应用越来越普遍^[1-3]。在某些比较特殊的应用场合中，三维面形测量面对着更加严格的要求。例如在对正在运动的物体进行三维测量、对各种生物器官如人脸和牙齿等进行三维造型、对具有复杂曲面的工业产品进行三维检测等应用场合，在三维面形测量的过程中要满足高速度、高精度、无损伤等要求^[4]。为了适应日益发展的工业生产及人民生活的需要，许多三维面形测量技术被开发出来。

在这些三维面形测量技术中，光学三维测量方法具有非接触、全场性、无损伤、高精度、高效率以及易于实现自动化等优点，受到了相关领域研究人员的广泛关注和研究。此外，近年来光学三维测量所需要使用的仪器设备的性能，例如投影仪、摄像机等，也得到了巨大的提高，在分辨率以及测量速度方面取得了长足的进步。在以上所述情况下，光学三维测量得到了快速的发展。