雙目三維光學(xué)測量硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

光學(xué)三維測量是一項集機(jī)械，電氣，光學(xué)，信息工程技術(shù)于一體的前沿技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用光學(xué)成像原理，對現(xiàn)實世界的物體進(jìn)行掃描，通過復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析、數(shù)字圖像處理得到目標(biāo)物體的三維形態(tài)數(shù)據(jù)。該技術(shù)幾乎不受目標(biāo)物體的形狀限制，經(jīng)過處理的虛擬數(shù)據(jù)具有廣泛的應(yīng)用價值。本次設(shè)計課題為雙目三維光學(xué)測量硬件系統(tǒng)設(shè)計。本文以格雷碼結(jié)構(gòu)光三維測量為編碼原理，用SolidWorks建立三維模型，MeshLab處理點云數(shù)據(jù)圖像。硬件方面，除了PC，核心器件為美國德州儀器公司研發(fā)的DLP4500系列投影儀，以其先進(jìn)的DMD（數(shù)字微鏡器件）技術(shù)進(jìn)行光柵的投射。相位移基本算法:通過采集10張光柵條紋圖像相位初值，來獲取被測物體的表面三維數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞 三維測量；光柵投影；格雷碼；結(jié)構(gòu)光；標(biāo)定

測量系統(tǒng)原理

三維掃描系統(tǒng)主體是德州儀器研發(fā)的DLP4500投影儀，投影儀包括USB接口連接PC,電源接口也是連接到計算機(jī)，最后一個接口通過觸發(fā)線連接到相機(jī)的相應(yīng)觸發(fā)引腳，相機(jī)也有一個USB接口連接到計算機(jī)來傳遞圖像。

本系統(tǒng)由一個相機(jī)和一個DLP投影儀組成采用投影光柵法進(jìn)行三維測量。DLP投影儀向被測物體投射一組光柵光，光柵圖像強(qiáng)呈正旋分布,用相機(jī)拍攝被測物體上形成的變形光柵圖像，然后利用拍攝得到的光柵圖像,根據(jù)相位計算方法利用拍攝到的光柵圖像處理得到光柵圖像的絕對相位值，然后進(jìn)行標(biāo)定，最后根據(jù)標(biāo)定好的系統(tǒng)參數(shù)根據(jù)絕對相位值分析計算出被測物體表面三維點云數(shù)據(jù)。相位移基本算法:通過采集10張光柵條紋圖像相位初值[6]，來獲取被測物體的表面三維數(shù)據(jù)。這種方法算法比較復(fù)雜，操作也復(fù)雜，精度比激光掃描稍微低些。如果光柵條紋圖像光強(qiáng)是標(biāo)準(zhǔn)正線分布,那么分布函數(shù)為：

DLP投影儀的核心是DMD，即數(shù)以萬計的數(shù)字微鏡器件，高亮光源通過投射光柵到微鏡器件，然后反射通過投影鏡頭投射到被測物體。在光學(xué)三維測量時，通常使用二進(jìn)制編碼和格雷碼（循環(huán)碼編碼），而格雷碼編碼多被用在投影光柵來測量空間物體，光柵編碼的方式還有許多，DLP采用格雷碼編碼。

20世紀(jì)，法國工程師發(fā)明了格雷碼編碼，后用于電報的A/D轉(zhuǎn)換被申請專利而得名。一組編碼中，若任意兩個相鄰的代碼只有一位二進(jìn)制數(shù)不同就成為格雷碼。格雷碼具有可靠性，因為相鄰位轉(zhuǎn)化值變動一位，所以能達(dá)到錯誤最小化。光柵圖像的解碼原理是首先將格雷碼編碼光柵，相機(jī)拍下光柵投射到被測物體后的位移變形，對光柵圖像進(jìn)行二值化處理，通過解碼得到物體表面矩陣及參考面格雷碼矩陣，將編碼條紋于原光柵編碼相減，差值乘以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)常數(shù)可得到條紋的平移距離，再根據(jù)相似三角形原理即可計算出物體實際高度[8]。

系統(tǒng)連接示例

相對應(yīng)以上原理圖，德州儀器提供了數(shù)字光處理3D掃描儀和映美精公司生產(chǎn)的工業(yè)相機(jī)，相機(jī)上安裝了鏡頭，本課題硬件連接參照該方式進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

相機(jī)標(biāo)定程序

三維機(jī)器視覺參考設(shè)計應(yīng)用程序允許用戶快速創(chuàng)建一個3 d掃描儀;完整的標(biāo)定、安裝和采集。應(yīng)用程序生成標(biāo)定需要校準(zhǔn)3 d掃描,以及LightCrafter 4500評估模塊自帶的標(biāo)定和結(jié)構(gòu)光模式。準(zhǔn)備標(biāo)定板和LightCrafter 4500評估模塊以后,用戶可以調(diào)整相機(jī)和投影儀。標(biāo)定程序完成后,應(yīng)用程序準(zhǔn)備進(jìn)行三維掃描。連接時確保攝像機(jī)和投影儀有足夠的距離。相機(jī)和投影儀到被掃描對象所成角度應(yīng)該由20到45度。

打開3D_Scanner_LCr4500_PGcam.exe應(yīng)用程序，輸入指令來進(jìn)行操作。輸入指令“1”: “Generate camera calibration board and enter feature measurements”，打印提示位置找到的相機(jī)標(biāo)定板，使打印好的標(biāo)定板平面白色表面比投影面積大,在獲得標(biāo)定的相機(jī)標(biāo)定板表面后,在命令行輸入“1”繼續(xù)。相機(jī)標(biāo)定板現(xiàn)在必須測量它的尺寸并進(jìn)入命令行。首先測量相機(jī)標(biāo)定板的總高度,值輸入到命令行。重復(fù)相同的過程校準(zhǔn)板的寬度。注意:用于標(biāo)定板的測量單位將定義生成的點云的單位。

進(jìn)入菜單選項“4”啟動相機(jī)標(biāo)定。按照提示和在整個過程中屏幕上的警告。注:相機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)已經(jīng)存在。如果懷疑校準(zhǔn)數(shù)據(jù),或使用不同的相機(jī),輸入“1”重新標(biāo)定相機(jī)。輸入“0”保存相機(jī)標(biāo)定數(shù)據(jù)。

相機(jī)視圖窗口將會出現(xiàn)在電腦主屏幕。保證相機(jī)標(biāo)定板完全在拍照框架內(nèi)，縮小光圈到盡可能低,同時仍然能夠辨別校準(zhǔn)板上灰色和白色的方塊并最小化所有可見光源，確保焦點的投影面積,鎖定光圈和焦距。注意:如果這一步之后相機(jī)的光圈大小或焦距是改變了,攝像機(jī)標(biāo)定程序必須再次執(zhí)行。

單擊住相機(jī)視圖窗口在主機(jī)PC和驗證標(biāo)定板在獲取焦點。從現(xiàn)場相機(jī)機(jī)視圖窗口,放置標(biāo)定板在不同的角度,不同的相機(jī)的視圖和按下空格鍵來捕獲圖像。總共需要十個校正圖像。試一試許多地區(qū)的相機(jī),和標(biāo)定板的角度,找到最好的校準(zhǔn)結(jié)果。在標(biāo)定中移動相機(jī)在某一點是可以的。

校準(zhǔn)過程估計鏡頭焦距,焦點,透鏡畸變,翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)的攝像機(jī)相對于校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程將生成一個二次投影錯誤。二次投影錯誤是理想的,但是一個錯誤低于2應(yīng)該是足夠的典型應(yīng)用。如果二次投影錯誤不是滿意的,相機(jī)校準(zhǔn)程序必須重新執(zhí)行。

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