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

光學(xué)三維測(cè)量是一項(xiàng)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(duì)現(xiàn)實(shí)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(jià)值。本次設(shè)計(jì)課題為雙目三維光學(xué)測(cè)量硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文以格雷碼結(jié)構(gòu)光三維測(cè)量為編碼原理，用SolidWorks建立三維模型，MeshLab處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖像。硬件方面，除了PC，核心器件為美國(guó)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(cè)物體的表面三維數(shù)據(jù)。

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

測(cè)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(jì)算機(jī)，最后一個(gè)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(gè)USB接口連接到計(jì)算機(jī)來傳遞圖像。

本系統(tǒng)由一個(gè)相機(jī)和一個(gè)DLP投影儀組成采用投影光柵法進(jìn)行三維測(cè)量。DLP投影儀向被測(cè)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(cè)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(jì)算方法利用拍攝到的光柵圖像處理得到光柵圖像的絕對(duì)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(duì)相位值分析計(jì)算出被測(cè)物體表面三維點(diǎn)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(cè)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(jì)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(cè)物體。在光學(xué)三維測(cè)量時(shí)，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(cè)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(guó)工程師發(fā)明了格雷碼編碼，后用于電報(bào)的A/D轉(zhuǎn)換被申請(qǐng)專利而得名。一組編碼中，若任意兩個(gè)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?yàn)橄噜徫晦D(zhuǎn)化值變動(dòng)一位，所以能達(dá)到錯(cuò)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(cè)物體后的位移變形，對(duì)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(jì)算出物體實(shí)際高度[8]。

系統(tǒng)連接示例

相對(duì)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(jì)應(yīng)用程序允許用戶快速創(chuàng)建一個(gè)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(píng)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(píng)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(shí)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(duì)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(cè)量它的尺寸并進(jìn)入命令行。首先測(cè)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(cè)量單位將定義生成的點(diǎn)云的單位。

進(jìn)入菜單選項(xiàng)“4”啟動(dòng)相機(jī)標(biāo)定。按照提示和在整個(gè)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(huì)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(shí)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(diǎn)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(yàn)證標(biāo)定板在獲取焦點(diǎn)。從現(xiàn)場(chǎng)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(gè)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(dòng)相機(jī)在某一點(diǎn)是可以的。

校準(zhǔn)過程估計(jì)鏡頭焦距,焦點(diǎn),透鏡畸變,翻轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)的攝像機(jī)相對(duì)于校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過程將生成一個(gè)二次投影錯(cuò)誤。二次投影錯(cuò)誤是理想的,但是一個(gè)錯(cuò)誤低于2應(yīng)該是足夠的典型應(yīng)用。如果二次投影錯(cuò)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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