【文章內容簡介】 量過程進行研究和總結，分析了測量過程中影響精度的因素。 圖41為本文所采用的攝影測量系統(tǒng)方案流程。在獲取圖像之后，首先進行標志點檢測，得到標志點亞像素級的圖像坐標，高精度的標志點檢測是保證整個攝影測量計算精度的基礎，如何對標志點圖像中心進行高精度的檢測己在第三章進行了詳細介紹。得到標志點中心之后，接下來就是利用這些圖像點中心坐標進行標志點的三維重建，這一部分是整個系統(tǒng)的關鍵。 首先按照公共標志點數目的多少，選用兩幅圖片進行相對定向，計算出五個外參數(使用共面方程列誤差方程，迭代運算)，如果此兩副圖像相機夾角小于30度則改用下一幅圖進行相對定向，直到找出相機夾角大于30度的兩副圖片，完成相對定向，并重建出至少_5個編碼點的三維坐標作為控制點。然后根據這些圖片包含的控制點數目，依次循環(huán)處理剩余的圖片:首先利用控制點定向該圖片，然后與己經定向好的圖片分別搜索公共的未重建的編碼標志點，然后重建出來。每定向完畢一幅圖片后，利用捆綁調整算法同時調整外參數和物體點的三維坐標。所有圖片都定向完畢后，利用捆綁調整算法同時調整內、外參數和物體點的三維坐標。然后利用核線約束匹配并重建非編碼點，再利用捆綁調整算法同時調整內、外參數和物體點的三維坐標。最后加入比例尺和溫度補償，得到最終的物體點三維坐標。如果需要可以利用321對齊方法與數模進行坐標對齊以方便偏差分析。具體流程如圖41所示。 在利用控制點對照片進行了定向之后，為了進行平差計算，需要計算照片上其余標志點(非控制點)的三維坐標，即三維重建。三維重建包括標志點匹配和計算三維坐標兩部分。對于編碼點來說，可以利用其編號進行直接匹配，對于非編碼點來說，需要通過其它方法進行匹配。非編碼點的匹配常用的方法有基于特征的匹配[[38]、最小二乘匹配[[135]、核線約束條件匹配「136]等。基于核線約束條件的匹配，如果只用兩張照片進行匹配，產生錯誤匹配的幾率較大，本文采用基于多張照片的核線匹配，極大的減少了誤匹配，取得了很好的匹配效果。 三維面結構光測量系統(tǒng)采用結構光非接觸式照相測量原理，結合結構光、相位測量、計算機視覺等技術于一體，通過光柵投影裝置投影數幅特定編碼的條紋光柵到待測物體上，并由成一定夾角的兩個攝像機同步采集相應圖像，然后對圖像進行解碼和相位計算，并利用外差式多頻相移技術，將空間頻率接近的多個投影條紋解相，計算出兩個攝像機公共視區(qū)內像素點的三維坐標，從而實現物體的三維信息數字化和測量。 本文所開發(fā)的XJTUOM三維面結構光測量系統(tǒng)主要由光學投影儀、雙目數碼攝像機和高性能計算機系統(tǒng)組成「m}。整個測量系統(tǒng)分為硬件和軟件兩部分。硬件部分的工作主要包括掃描平臺的搭建，光柵投射器和數碼攝像機的性能參數選取等，軟件部分的工作主要是數據采集和數據處理工作。 1)硬件結構組成 1)光柵投射器:選用光學穩(wěn)定性較好的數字光柵投射器，分辨率為1280 x 1024 。 2)數碼攝像機:使用工業(yè)級數字攝像機，該攝像機在1280 x1024分辨率下的最，而且提供二次開發(fā)SDK可以方便的對其進行編程控制。 3)組合平臺一個:包括投影儀底座，相機萬向頭，連接桿，重型架等。 4)高性能計算機一臺:通過控制光柵投射器以及對掃描數據進行處理。整個系統(tǒng)的硬件部分結構如圖44所示。、數碼攝像機來完成整個掃描過程，2)軟件功能組成軟件部分實現的功能主要有:圖像采集、圖像預處理、攝像機標定、立體匹配和三維重建，如圖4_5所示:各部分的功能簡述如下:二維圖像的獲取是系統(tǒng)的基礎，圖像采集質量的好壞直接影響后續(xù)的步驟。l)本系統(tǒng)采用投影儀將經過編碼的條紋光柵投射到實體上，通過兩個攝像頭同時采集實體圖像。 2)采集到的二維圖像包含了各種各樣的隨機噪聲和畸變，因此需要對原始圖像進行預處理。圖像預處理的目的主要有兩個:一是改善圖像的視覺效果，提高圖像清晰度。二是使圖像變得更有利于計算機處理，便于各種特征分析，如特征點識別、定位等。 3)攝像機標定是為了確定攝像機的位置、屬性參數和建立成像模型，以便確定空間坐標系中物體點與它在圖像平面上像點之間的對應關系。攝像機標定需要確定內部參數和外部參數，內部參數包括攝像機內部的幾何和光學特性，外部參數是指相對一個物方坐標系的攝像機坐標系的三維位置和方向。本系統(tǒng)中，使用兩個攝像頭，需要在進行測量之前同時進行標定。 4)立體匹配是指根據對所選特征的計算，依照一定的約束條件，建立特征之間的對應關系，從而將同一個空間物理點在不同圖像中的映像點對應起來，為后續(xù)的三維重建提供基礎。 5)三維重建是指在立體匹配得到視差圖像之后，恢復場景三維信息，并確定點云。影響距離測量精度的主要因素有:數字量化效應、攝像機標定誤差、特征檢測與匹配定位精度等。 三維面結構光測量系統(tǒng)采用結構光非接觸式測量原理，如圖46所示，它結合結構光、相位測量、計算機視覺等技術于一體，通過光柵投影裝置將數幅特定編碼的條紋光柵投射到待測物體上，并由成一定夾角的兩個攝像頭同步采集相應圖像，然后對圖像進行解碼和相位計算，并利用立體匹配技術和三角形測量原理，計算出兩個攝像機公共視區(qū)內像素點的三維坐標，從而實現物體的三維信息數字化和測量。 雙目視覺系統(tǒng)使用兩套光學鏡頭和CCD相機，采集光學投影裝置投射到物體表面的面結構光，利用系統(tǒng)初始時的標定值可解算出被測工件表面每個點的三維坐標信息。 當光柵圖案投射到被測物表面時，受物體表面輪廓的調制，光柵條紋會產生形變，這種變形條紋可解釋為相位和振幅均被調制的空間載波信號。采集變形條紋并且對其進行解調可以得到包含輪廓信息的相位變化，最后根據三角法原理計算出表面形貌，這類方法又稱為相位法?；谙辔粶y量的三維輪廓測量技術的理論依據也是光學三角法，但與光學三角法的輪廓術有所不同，它不直接去尋找和判斷由于物體高度變動后的像點，而是通過相位測量間接地實現，由于相位信息的參與，使得這類方法與單純光學三角法有很大區(qū)別，其精度也有較大提高。 相位測量輪廓術需要精密的相移裝置和正弦性良好的條紋，相移不準和投影條紋的非正弦性會對測量引入高次諧波誤差。隨著投影方式從早期的幻燈機投影到現在的LCD(Liquid Crystal Display)及DLP ( Digital light processor)投影的發(fā)展，相移的準確性己可以得到較好的保證。LCD和DLP一個顯著優(yōu)點是可編程性，可以根據需要在計算機內產生有一定相差的若干幀相移條紋，然后按照相移順序由DLP依次投影到物體上，實現相移。這種相移方法可以實現零相移誤差，避免由于相移不準引起的測量誤差。 相位測量輪廓法((PMP)的難點在于解包裹方法。目前常用解包裹方法為格雷Gray碼法[136]，如圖47所示: 投影Gray編碼的條紋時，第一次投影與待解相條紋節(jié)距相同的Gray碼條紋，并以攝像機攝取其圖像。第二次投影節(jié)距2倍于待解相條紋的Gray碼條紋，同樣以攝像機攝取其圖像。以此類推，直到Gray碼條紋的節(jié)距達到視場一半時為止。 解碼時，首先把上面得到的各圖像進行二值化。然后在圖像上任意一點，獲取該點在各圖像中的碼值(黑色圖像點的碼值為0，白色圖像點的碼值為1)，把獲取的各碼值按順序排列((Gray條紋節(jié)距大的其碼值排在前)，得到該點的Gray碼。將Gray碼轉換為二進制碼，然后再轉化為十進制碼，該十進制碼就是該點所在條紋的級數。 格雷碼方法己經比較成熟，其優(yōu)點是條紋定級非常方便，直接根據黑白分布求得格雷碼，再解碼便獲成功，算法實現簡單，易于實現產品化。但是缺點非常明顯:一是格雷碼只是用于對測量幅面的分級，對計算物體的相位沒有幫助，無法提高測量精度。二是格雷碼的使用造成測量系統(tǒng)對測量工件的表面明暗比較敏感，黑白交界處容易受到噪聲的干擾，一般要噴顯影劑才能測量，無法測量較暗和表面劇烈變化的工件。三是單次測量幅面較小，一般小于400 mm o 對于格雷碼加相移的三維測量技術的缺點，國外一直在研究新的替代方法，提出了很多測量技術，其中外差式多頻相移技術是發(fā)展較快的方法。國內外研究者以前提出過雙頻相移技術，雖然擺脫了格雷碼，提出了采用查找表法的雙頻相移技術、貝葉斯估計法的雙頻相移技術等，但是實際測量效果都不理想，大量試驗和理論證明采用雙頻相移技術無法滿足實際測量需要，外差式多頻相移技術是在雙頻相移技術的基礎上發(fā)展而來的，其光柵數目大于兩個，一般為3至6個，而且多種頻率光柵需要進行多次相移，因此其技術難度大大增加。 采用多頻外插相移技術與傳統(tǒng)的格雷碼加相移相比，具有以下突出優(yōu)點: 1)測量工件不受明暗的影響。該技術放棄了格雷碼，采用多頻相移技術，因此該技術就避免了格雷碼帶來的問題，對測量工件的明暗基本不受影響，可在自然光照下，不用噴顯影劑就可測量大多數的工件。 2) au」量幅面可以更大，而測量時間減少。如果采用格雷碼，測量幅面增大后，必須增加格雷碼的編碼位數，必須投射更多幅的格雷碼，增加了測量時間。外差式多頻相移技術更適于測量更大幅面的工件。 3)測量精度更高。采用格雷碼加相移的三維測量技術，其測量精度主要由一幅光柵四次相移決定，格雷碼的使用沒有提高測量精度。而外差式多頻相移三維光學測量技術采用多個頻率的光柵相移，比只投射一種頻率的光柵精度更高，抗干擾能力強。 4)可以測量非連續(xù)、表面劇烈變化的工件。 這種方法分別投影多種不同空間頻率的條紋于待測面上，攝像機攝取變形的條紋圖，并利用相移法求取多種條紋的相位主值，把相位主值代入一個非常簡潔的表達式就可以恢復出條紋的真實相位。此解包裹過程針對各點單獨進行，所以不會出現誤差傳遞的現象，可以有效保證點云識別的精確程度，比原來所采用的格雷碼結構光投影加相移的方法更加精確，更能夠適應工業(yè)現場精密檢測的需要。 1光學鏡頭的性能指標 光學器件的光學性能規(guī)格對機器視覺系統(tǒng)的性能和精度有很大的影響。如何正確分析測量頭的光學性能規(guī)格，從而選擇出最適合測量需求的光學器件，對整個系統(tǒng)的測量精度