条纹投影的周期校正方法及其在较大物体三维测量中的应用研究

The three-dimensional coordinates of the object surface are the basic data of the modern manufacturing industry.Fringe projection profilometry is widely used for three-dimensional measurement. In the intersecting axis projection system, due to oblique-angle project, the grating fringe cycle on the reference plane is broadened, the cycle is not a fixed value. When larger objects are measured, large errors are brought. In order to solve the problem, the project is based on the theory of projection optics, the mathematical relationships between the coordinates and the coordinates, the coordinates and the phases are taken as the main line, the mathematical modeling and experiment are used. Studying the fringe cycle correction method on the reference plane.Studying the theoretical model of the phase shift method based on the fringe cycle correction.Studying the theoretical model of the temporal phase unwrapping method based on the fringe cycle correction. Considering the image point displacement error and lens distortion, sudying the theoretical model of the larger objects three-dimensional measurement. Above theoretical models and method are applied to measure complex larger objects. Through the research of the project, above theoretical models and method are expected to be established in theory. The fringe cycle on the reference plane will be corrected to a constant value.Precise digital phase shift and phase unwrapping of complex object are realized. High precision three-dimensional measurement of complex larger objects is realized in the application.The achievements lay the theoretical basis for the fringe projection in the application of high precision three-dimensional measurement and digital manufacturing of complex larger objects.

物体表面的三维坐标是现代制造业的基础数据，条纹投影轮廓术广泛应用于三维测量。采用相交轴系统时，由于倾斜投影，参考平面上的光栅条纹周期出现展宽，导致周期不是定值。当被测物体较大时，给测量带来较大误差。为解决该问题，本项目以投影光学理论为基础，以坐标与坐标、坐标与相位的数学关系为主线，通过数学建模和实验，研究参考平面上的条纹周期校正方法；研究基于条纹周期校正的相移法的理论模型；研究基于条纹周期校正的时间相位展开法的理论模型；在考虑像点位移误差和镜头畸变的基础上，研究较大物体三维测量的理论模型；并将以上理论模型和方法用于复杂较大物体的三维测量实验。通过本项目研究，可望在理论上建立以上理论模型和方法；将参考平面上的条纹周期校正为定值；实现精确的数字相移；实现复杂物体的相位去包裹；在应用上实现复杂较大物体的高精度三维测量。该成果为条纹投影在复杂较大物体的高精度三维测量和数字制造中的应用奠定理论基础。

三维测量技术是现代制造业的关键基础技术之一，它为产品制造提供必需的三维数据，广泛地应用于各种复杂产品的三维测量、质量控制、数字制造、逆向工程和虚拟制造等领域。物体表面的三维坐标是现代制造业的基础数据。基于结构光原理的条纹投影轮廓术具有非接触、全场测量、速度快和易于信息处理等优点，在大物体表面三维测量中具有广泛的应用前景。采用相交轴系统时，由于倾斜投影，参考平面上的光栅条纹周期出现展宽，导致周期不是定值。当被测物体较大时，给测量带来较大误差。为解决该问题，本项目以投影光学理论为基础，以坐标与坐标、坐标与相位的数学关系为主线，通过数学建模和实验，研究了参考平面上的条纹周期校正方法；研究了基于条纹周期校正的相移法的理论模型；研究了基于条纹周期校正的时间相位展开法的理论模型；在考虑像点位移误差和镜头畸变的基础上，研究了较大物体三维测量的理论模型；并进行了二进制条纹和相位编码条纹的周期校正原理研究；基于Look-up table(LUT)的三维测量技术的研究；图像拼接理论模型的研究；投影仪标定的研究；以及基于图像处理的几何量测量研究；同时还进行了基于离焦和相移编码的三维测量方法、彩色二进制条纹离焦投影原理、正弦脉冲宽度调制条纹结合相位编码条纹的三维测量方法、基于多值编码方法的三维轮廓测量方法的研究。并将以上理论模型和方法用于复杂较大物体的三维测量实验。通过本项目研究，在理论上建立了以上理论模型和方法；将参考平面上的条纹周期校正为定值；实现精确的数字相移；实现了复杂物体的相位去包裹；在应用上实现了复杂较大物体的高精度三维测量。单幅测量幅面最大可达到：1200mm×600mm。单幅静态测量精度,对于大小为1000mm×600mm的测量幅面，在测量距离2m时，测量精度最高可达0.05mm。本项目的成果为条纹投影在卫星结构平台、飞机机翼、螺旋桨、叶片、汽车车身和自由曲面等复杂较大物体的高精度三维测量和数字制造中的应用奠定了理论基础。