先进制造中高性能光栅投影三维测量研究

光栅投影三维测量技术具有量程大、非接触、速度快、柔性好、精度较高等优点，是先进制造领域中最有发展前景和应用价值的光学三维测量方法之一。随着先进制造等相关实际应用领域的更高要求和相关研究领域科学技术的快速发展，对光栅投影三维测量技术也提出了更高的要求，如何实现高性能的光栅投影三维测量系统面临着挑战。高性能不仅包括高精度，还包括快速测量、测量鲁棒性强、易实现以及针对复杂物体能进行可靠测量等性能指标。申请人在前一个国家自然基金的资助下，围绕提高光栅投影三维测量的精度开展了较为深入的研究，已取得了较好的研究进展，并在取得的理论研究成果基础上，自主开发了光栅投影三维精密测量系统。本项目拟在此基础上，重点研究基于相移算法的、变换方法的以及彩色光栅的光栅投影三维测量方法中存在的若干关键问题，并研究主值相位展开等关键技术，希望有所突破，以提高光栅投影三维测量的性能。

先进制造中光栅投影三维测量的效率与精度问题是当今研究的热点之一，也是影响制造业生产效率提高的重要因素。本项目分别对从系统模型到最终点云处理的各关键技术进行了深入研究，提出了若干新的方法和技术，包括： .（1）新的测量模型：对投影仪，投影的光栅条纹以及摄像机综合优化建模，不要求满足传统模型的位置关系约束条件,简化了系统校准过程。使得系统结构易于实现，从系统模型上提高了测量系统的精度和稳定性。 同时针对彩色编码光栅，提出了一种基于互补彩色光栅的三维测量方法。.（2）新的基于二次曲线与直线的混合标定方法。该方法抛弃了利用点对点关系的标定方法,转而利用二次曲线方程及直线方程在两种坐标系下相对应的关系进行标定.（3）为了提高多摄像机标定实现的方便程度和增加参考标定板的多样性,采用极坐标设计标定板并以此来进行摄像机参数的标定.根据设计好的标定板确定世界坐标下的特征点,识别相应的特征点在图像坐标的位置,匹配特征点在图像坐标和世界坐标的位置关系后完成摄像机的标定。.（4）新的相位提取方法：提出了一种基于希尔伯特-黄变换的自适应相位提取法。可有效克服模式混叠问题,可在有效去除噪声和背景分量的同时尽量保留细节相位信息,有较好的自适应性及稳健性,测量精度高。.（5） 针对相位编码法以及小波变换法分别提出了新的相位展开方法。将PWM调制技术引入到相位编码法，削弱了系统的非线性影响。该技术可以用于正确相位展开，提高测量系统可靠性。在使用小波变换得到变形光栅图像的相对相位分布的基础上，利用小波变换脊处的尺度因子建立质量图指导相位展开，这种质量图建立方法有效反映了变形光栅图像各点的可靠性。.（6）在点云处理方面，针对海量点云数据提出了基于模糊熵迭代的点云精简算法，在后续配准方面分别提出了基于法向量以及点云几何特征的新拼接方法，克服了传统ICP算法对于点云初始位置要求的局限性。