结构光三维视觉测量
基于多频外差相移结构光的三维测量系统
基于多频外差相移结构光的三维测量系统郭进;陈小宁【摘要】The construction of 3 D optical measurement system based on binocular vision and phase projector is attracting more and more attentions due to his importance in automation produce. The camera internal and external parameters had been got by tablet calibration technology. In order to avoid the error by the methord based on the phase shift and Gray code, a technology based on multifrequency heterodyne principle had been explored out. The exact phase had been obtained by fitting negative exponential. The experimental results proves that by this system could be get the point cloud with high accuracy and the system error is of less than 0. 03 mm.%基于相位投影和双目视觉的三维光学测量系统已经广泛应用于各领域。
系统通过平板标定技术得到摄像机的内参和外参；针对格雷码与相移结合技术在测量物体边缘位置解相位误差大的问题，采用多频外差原理的测量方式，使用拟合负指数求解像素点的绝对相位，使用对极几何进行亚像素立体匹配。
实验证明：该系统可以完成复杂面型测量并且获得高精度点云数据，测量标准偏差为0.03 mm。
结构光技术
结构光技术是一种测量和成像技术，利用一束光的三维结构和相位信息来进行高精度的测量和成像。
结构光技术通常包括以下步骤：
投射光：使用一台结构光投影仪，投射一种光源（通常是白光、激光或红外线）形成的光线条纹。
采集图像：使用一台相机或其他图像传感器，拍摄被投射光线条纹照射的物体。
处理图像：通过计算机算法，分析被拍摄图像中的光线条纹信息，确定物体的三维结构和相位信息。
这些信息可以用于生成三维模型、测量物体尺寸和形状等。
结构光技术广泛应用于工业测量、机器人视觉、虚拟现实、计算机图形学等领域。
它可以实现高精度的三维测量和成像，具有快速、非接触、非破坏等优点，可以用于工业制造、医疗、文化遗产保护等领域。
线结构光测量原理
线结构光测量原理线结构光测量原理是一种非接触式三维测量技术，它通过投射一条光线在被测物体表面上形成一条亮线，然后通过相机拍摄这条亮线在被测物体上的投影，从而得到物体表面的三维形状信息。
该技术在工业制造、医疗等领域得到广泛应用。
线结构光测量的原理基于三角测量原理，即通过相机拍摄被测物体表面上的投影图像和已知的光线参数，通过计算得到物体表面上每个点的三维坐标。
在线结构光测量中，光源一般采用激光器或LED 灯，由于光的直线传播特性，光源发出的光束可以看作是一组平行的光线，它们被投射到被测物体表面上形成一条亮线。
相机则用来拍摄这条亮线在被测物体表面上的投影。
由于物体表面的形状各异，亮线在被测物体表面上的投影也会不同，因此需要对亮线在被测物体表面上的投影进行处理，从而得到物体表面的三维形状。
处理方法一般包括三维重建算法、图像匹配算法、拟合算法等。
线结构光测量技术具有非接触、高精度、高速度等优点，被广泛应用于工业制造、医疗、文化遗产保护等领域。
在工业制造领域，线结构光测量可以用来测量零件的三维形状，帮助生产厂家检测零件是否符合要求，提高生产效率和品质。
在医疗领域，线结构光测量可以用来制作义肢、矫形器等医疗器械，为患者提供更好的医疗服务。
在文化遗产保护领域，线结构光测量可以用来记录文物的三维形状，保护文物珍贵的文化遗产。
当然，线结构光测量技术也存在一些局限性。
例如，被测物体表面必须为光滑表面，否则会影响测量精度；同时，光源和相机的位置需要固定，否则会导致测量误差。
因此，在使用线结构光测量技术时需要注意这些局限性，从而提高测量精度。
线结构光测量技术是一种高精度、高速度、非接触式的三维测量技术，被广泛应用于工业制造、医疗、文化遗产保护等领域。
随着科技的不断发展，线结构光测量技术也将不断完善和优化，为人们提供更好的服务。
三维数据测量技术
04
立体视觉测量技术
工作原理
立体视觉测量技术基于双目视觉原理， 通过模拟人眼观察物体的方式，利用两 个相机从不同角度获取物体的图像，以
获得物体的三维信息。
通过匹配对应点，即同一物体在两个相 机视角下的像素点，可以计算出像素点 之间的视差，进而推算出物体表面点的
空间坐标。
立体视觉测量技术能够快速、准确地获 取物体的三维数据，且对环境光照条件 要求较低，具有较高的测量精度和灵活
工作原理
激光雷达原理
三维激光扫描技术基于激光雷达原理， 通过向目标物体发射激光束并测量反 射回来的时间，计算出物体表面的三 维坐标。
高速旋转扫描镜
测量距离与精度
测量距离和精度取决于激光雷达的发 射功率、接收器性能以及反射物的性 质。
激光束通过高速旋转扫描镜进行发散， 实现对目标物体的全面覆盖扫描。
特点
高精度、高效率、非接触、可实现动 态测量等。
技术原理
光学原理
利用光学原理，如激光、结构光等，将光束投射到物体表面，通 过捕捉光束的反射信息，计算出物体的三维坐标。
机械原理
利用机械装置，如三坐标测量机、激光雷达等，通过移动测头或传 感器，逐点获取物体的三维坐标。
声学原理
利用声波在物体表面反射和传播的特性，通过测量声波传播的时间 或相位差，计算出物体的三维坐标。
高精度与高效率
总结词
随着科技的不断进步，三维数据测量技术也在不断发展，高精度与高效率成为 其重要的发展趋势。
详细描述
高精度是三维数据测量的基本要求，通过采用更先进的测量设备、优化算法和 数据处理技术，可以获得更高精度的测量结果。高效率则可以提高测量速度， 降低测量成本，满足快速生产的需求。
三维视觉检测
II
哈尔滨工业大学
目录
摘要........................................................................................................................ I Abstract ................................................................................................................. II 第 1 章 绪论..................................................................................................... - 1 1.1 课题背景............................................................................................. - 1 1.2 结构光三维测量技术......................................................................... - 1 1.3 国内外发展现状................................................................................. - 1 第 2 章 光学三维测量技术............................................................................. - 3 第 3 章 三维测量技术中相位移及相位展开................................................. - 4 3.1 相位移原理......................................................................................... - 4 3.2 相位展开算法..................................................................................... - 5 3.2.1 空间相位展开算法.................................................................. - 5 3.2.1 时间相位展开算法.................................................................. - 6 第 4 章 三维重建过程..................................................................................... - 7 4.1 三步相移算法..................................................................................... - 7 4.2“2+1”步相移算法 ................................................................................ - 7 4.3 时间相位去包裹法............................................................................. - 8 4.4 杂点去除算法..................................................................................... - 9 4.5 相位值向空间三维坐标转换算法..................................................... - 9 4.6 基于 Look-up Table 的快速算法 ..................................................... - 10 第 5 章 总结与展望....................................................................................... - 10 -
结构光3d成像原理
结构光3d成像原理
结构光3d成像技术是一种利用光学三角测量原理进行测量和重建物体三维形态的方法。
它通过发送一束结构化光(如条纹、格子等)到被测物体表面，然后捕捉返回的光线信息，利用计算机对数据进行处理，最终生成物体的三维模型。
结构光3d成像原理基于光学三角测量原理，即利用视差原理计算物体表面上各个点的三维坐标。
在结构光3d成像系统中，首先需要将被测物体置于一个光照条件较好的环境里，并且保持相机和投影仪之间的几何关系不变。
然后，投影仪发出一束结构化光，在物体表面形成一个光栅。
相机拍摄物体表面上的光栅图案，将图像传输到计算机中进行处理和分析。
在处理过程中，需要进行相位解码和相位匹配，以计算出每一个像素的深度信息。
相位解码是指将光栅图案的相位信息转换为深度信息的过程，而相位匹配则是通过对比不同光栅图案之间的相位差异，计算出物体表面上每一个像素的深度值。
最终，通过对所有像素的深度值进行三维重建，生成物体的三维模型。
结构光3d成像技术具有高精度、高速度、无接触等优点，被广泛应用于工业制造、医学影像、文化遗产保护、虚拟现实等领域。
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船舶建造测量三维可视化精度控制方法
船舶建造测量三维可视化精度控制方法摘要：船舶建造是项复杂而精密的制造工程，在数字化生产高速发展的潮流下，数字化造船技术成为造船产业提高效率和效益的重要保障，这主要包括数字化设计、数字化制造和数字化管理，其发展趋势为三维化、虚拟化和协同化。
建造和精度控制分析也需要高效可靠的技术手段支持，精度控制测量的三维可视化是描述与分析测量数据、深入挖掘空间信息特征的有效工具。
关键词：数字化造船；工业测量；精度控制1结构光测量1.1结构光视觉的方法及原理结构光三维视觉运用最多的是基于光学三角法的原理。
结构光视觉传感器是由结构光投射器和摄像机构成。
结构光投射器将包含信息的结构光向被测物体投射，构造特征。
使用不同模式的结构光投射，得到的可视特征也不相同。
摄像机采集被测物表面上的可视特征，传输到计算机中进行图像处理，最后可以解算出可视特征的精确空间三维坐标。
根据结构光的模式不同，结构光视觉传感器分为点结构光视觉传感器、线结构光视觉传感器和多线结构光视觉传感器等多种。
当采用面结构光时，只需将一幅包含二维信息的结构光图案投射到物体上，这样不需进行扫描整个物体就可以测量三维信息，测量速度快，其中运用最普遍的是将光栅条纹投影到物体表面。
此系统由一个CCD摄像机和一个成角度布置的DLP投影仪构成，测量时，一组光强呈正弦分布的光栅图像由DLP投影仪发出并投射到被测物体上，与此同时CCD摄像机拍摄经被测物体表面调制而变形的光栅图案；将获取到的光栅图像依据相位计算方法得到绝对相位值；最后根据预先标定的系统参数或相位-高度映射关系从绝对相位值计算出被测物体表面的三维点云数据。
对于相位测量的方法主要包括：莫尔轮廓术、时域相位测量轮廓术、空域相位测量轮廓术和傅里叶变换轮廓术。
（1）莫尔轮廓术其测量原理是将被测表面调制过的图像与基准光栅进行对比，通过对比到的莫尔图样画出物体的等高线，接着计算出测件的表面轮廓三维信息。
假如根据基准光栅图案计算出X，Y平面的尺寸信息，然后利用公式计算出该条纹离开基准光栅的实际距离，添加物体实际高度就可得到物体的三维尺寸信息。
大型锻件热态三维结构光在线测量技术
摘要 ：针对大型锻件 尺寸的在 线测量问题 ，提 出一种基于结构光的立体视觉测量方法 该方法针对 红热 态高温条
件下结构光条纹难 以获取 的问题 ，采用物理滤 色和数字滤 色相结合 的办法克服热态表 面辐射 的影响 ，同时采用多
频相移技术以显著提 升抗噪 能力；针对 大型物体 测量提 出了基 于标记球的 多视测量 自动拼接 方案 。现场 实验验证 表 明，基于结构光立体视 觉的三维测量 实验 系统可 以在 １ 远距 离实现在线大型锻 件非接触 测量，具有测量速 ５ｍ 度快 、测量精度 高、方便快捷 、简单可 靠的特点 ，能满足 大型铸锻 件热态在 线测量的要求 。
Ｌ Ｕ Ｇｕ．ｕ ， Ｌ Ｕ Ｘｉｎｙ ｎ Ｅ ａ ．ｕ ｎ ， Ｉ ｉ ａ一 ｈ Ｉ ａ ．ｏ ｇ ，Ｆ ＮＧ Ｑｕ ｎｙ ａ Ｗ ＥＩＺ ｉ ｏ ｇ ，ＺＨＡＮＧ ．ｏ ｇ ， ＧＡＯ ｏ ｆ ｎ ｈ— ｎ ｙ Ｑｉ ｎ 。 ｒ Ｇｕ —ａ ｇ
（ ． ｃｏ ｌｆｉ ｏｍ ｔ ｎＥ ｇｎｅｉ ， ｏ ｔｗ ｓ Ｕ ｉｅｓｙｏ Ｓ ｉ ｃ ａ ｄＴｃ ｎ ｌ ｙ １Ｓｈ ｏ ｎ ｒ ａｉ ｎ ｉｅｒ ｇ Ｓ ｕｈ ｅｔ ｎｖｒｉ ｆ ｃ ｎ ｅ ｎ ｅｈ ｏｏ ， ｏ ｆ ｏ ｎ ｔ ｅ ｇ
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第 ３ 第 ９期 ７卷
２ １ 年 ９月 ００
光 电工 程
Ｏｐ ｏ Ｅｌ ｃｒ ｎｉ ｇ ｎ ｅ ｉ ｇ ｔ — ｅ ｔｏ ｃＥｎ ｉ ｅ ｒｎ
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结构光三维视觉测量
1、应用简介结构光视觉方法的研究最早出现于20 世纪70 年代。
在诸多的视觉方法中，结构光三维视觉以其大量程、大视场、较高精度、光条图像信息易于提取、实时性强及主动受控等特点，近年来在工业三维测量领域得到了广泛的应用。
2、系统设计原理、方框图、原理图结构光三维视觉是基于光学的三角法测量原理。
如图所示，光学投射器（可以是激光器，也可以是投影仪）将一定模式的结构光投射于物体的表面，在表面形成由被测物体表面形状所调制的光条三维图像。
该三维图像由处于另一位置的摄像机摄取，从而获得光条二维畸变图像。
光条的畸变程度取决于取决于光学投射器与摄像机之间的相对位置和物体表面形廓（高度）。
直观上，沿光条显示出的位移（或偏移）与物体的高度成比例，扭结表示了平面的变化，不连续显示了表面的物理间隙。
当光学投射器与摄像机之间的相对位置一定时，由畸变的二维光条图像坐标便可重现物体表面的三维形廓。
结构光三维视觉测量系统由光学投射器、摄像机、和计算机系统三部分构成。
根据光学投射器所投射的光束模式的不同，结构光模式可分为点结构光模式、线结构光模式、多线结构光模式和网格结构光模式。
线结构光模式复杂度低、信息量大，应用最为广泛。
下图为线结构光打在标定板和被测物体的光条图像。
3、选型原则、精度分析结构光视觉传感器的测量精度受诸多因素的影响，如摄像机本身的光学物理参数、光学投射器特征参数、传感器本身的结构参数及外界干扰源等等。
在摄像机、光学投射测量环境一定的情况下，测量系统的结构参数对测量精度影响很大。
实验和相关理论推导表明，测量点的定位误差和系统结构相关性如下：1）摄像机光轴和光
平面垂直时，深度方向的测量误差最小。
2）摄像机与光学投射器距离越远，
测量误差越小。
3）摄像机镜头放大倍率越小，测量误差越小；这也表面被测。