【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 采用的方案等。為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集提供理論依據(jù)，使所選出的方案比其他測(cè)量方法更適合該課題的研究。第三章：點(diǎn)云預(yù)處理。本章主要研究對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的工作，主要包括：點(diǎn)云除噪、點(diǎn)云插補(bǔ)、刪除、最佳拼接、消差等，為下一步的曲面重建作準(zhǔn)備工作。第四章：曲面重構(gòu)。對(duì)離散數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為連續(xù)的曲面，完成自由曲面的重建工作。第五章：實(shí)驗(yàn)。依據(jù)硬件設(shè)備和軟件設(shè)施，完成對(duì)文物杯的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、自由曲面的重建工作。第六章：總結(jié)與展望。對(duì)本文的主要研究?jī)?nèi)容和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)本文尚需進(jìn)一步研究的若干問(wèn)題提出參考建議。31三維數(shù)據(jù)測(cè)量第二章 三維數(shù)據(jù)測(cè)量、三維數(shù)據(jù)測(cè)量簡(jiǎn)介數(shù)據(jù)測(cè)量，又稱產(chǎn)品表面數(shù)字化，是指通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法，將物體的表面形狀轉(zhuǎn)換成離散的幾何點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，就可以進(jìn)行復(fù)雜曲面的建模、評(píng)價(jià)、改進(jìn)和制造。三維型面檢測(cè)技術(shù)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、破損零件還原、工業(yè)產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)、醫(yī)學(xué)檢查、藝術(shù)品鑒定及三維動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)等許多方面都有著廣泛的應(yīng)用。目前，用來(lái)采集物體表面數(shù)據(jù)的測(cè)量設(shè)備和方法多種多樣，其原理也各不相同。按照傳統(tǒng)的劃分，數(shù)據(jù)測(cè)量主要有接觸式和非接觸式兩種測(cè)量方法。接觸式測(cè)量方法的典型代表是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，它通過(guò)探測(cè)頭上的探針與樣件表面的接觸情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這種方法有很高的精度，對(duì)物體的邊界測(cè)量相對(duì)準(zhǔn)確，但由于其接觸式的測(cè)量，使其易于損傷物體和測(cè)頭，而且速度慢，對(duì)軟質(zhì)材料難以測(cè)量，存在測(cè)頭半徑的三維補(bǔ)償，而且價(jià)格昂貴，這就限制了其應(yīng)用，主要應(yīng)用于制造、電子、汽車(chē)和航空航天等工業(yè)中。非接觸式方法主要是基于光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，典型方法有激光三角法、激光測(cè)距法、結(jié)構(gòu)光法等，特點(diǎn)是不與樣件接觸因而有較高的測(cè)量速度，可測(cè)量軟質(zhì)材料，可用于實(shí)時(shí)測(cè)量，適用范圍廣，但精度稍低。本文采用非相干光源，利用投影柵相位法原理進(jìn)行三維數(shù)據(jù)測(cè)量。、投影柵相位法的基本原理投影光柵相位法與其它三維測(cè)量方法相比有處理方法簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快、不受物體材質(zhì)影響、成本低和易于操作等優(yōu)點(diǎn)，但精度低于接觸式三坐標(biāo)機(jī)測(cè)量，且一般要在被測(cè)物體表面進(jìn)行噴涂改色處理。投影光柵相位法測(cè)量的工作原理是從獲取的包含物體高度信息的二維光柵圖像中恢復(fù)出真實(shí)的三維空間信息。它主要分為三個(gè)步驟：（1）、相位調(diào)制：即通過(guò)投影光柵掃描設(shè)備獲得三維物體表面的變形光柵圖像，它包含物體高度信息。（2）、相位解調(diào)：即求解出所獲取的變形光柵圖像中的精確相位。（3）、相位展開(kāi)：即求取包含物體高度信息的光柵絕對(duì)相位值。投影柵相位法的的原理光路圖如圖21所示。投影系統(tǒng)光軸與攝像系統(tǒng)光軸相交于參考平面R上的O點(diǎn)，投影光柵為正弦光柵，和分別表示投影系統(tǒng)的入瞳和出瞳，和分別表示攝像系統(tǒng)的入瞳和出瞳，和到參考平面R的距離相等，均為L(zhǎng)，正弦光柵G的柵線垂直于圖平面[1]。首先通過(guò)投影系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)生成的虛擬正弦光柵投影到被測(cè)物體表面，投影系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算 （21）式中r(x,y)為物體表面反射率分布函數(shù)，為物體表面高度變化引起的調(diào)制位相。由投影光路的簡(jiǎn)單幾何關(guān)系，得到 （22）中包含了物體的高度信息，但此相位是包裹的，需通過(guò)相位去包裹得到連續(xù)的相位，再代入高度公式 （23）即可得到物體的高度數(shù)據(jù)。、測(cè)量設(shè)備介紹、硬件設(shè)備實(shí)體輪廓的數(shù)據(jù)采集是獲取實(shí)體幾何形狀信息的首要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集的速度、點(diǎn)數(shù)、精度是影響結(jié)構(gòu)光三維視覺(jué)測(cè)量系統(tǒng)工作質(zhì)量的最重要的技術(shù)指標(biāo)。不同的采集方式，具有不同的采集速度和精度。本課題采用的是非接觸式光柵掃描法，該方法操作簡(jiǎn)單，對(duì)硬件環(huán)境要求不高，掃描速度快，有較高的實(shí)用性。由于投影光柵法是一次性瞬間獲取物體表面形狀的三維信息，并且投影光模式可變，因而具有很高的測(cè)量速度和較高的精度，而且采集到的數(shù)據(jù)空間分辨率高，設(shè)備要求簡(jiǎn)單，比較易于在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)室采用的是3DCamega三維數(shù)字化掃描系統(tǒng)，本硬件設(shè)備包括一臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的計(jì)算機(jī)，DCF系列的單機(jī)兩臺(tái)，控制盒一個(gè)，標(biāo)定塊一塊，與三腳架配套使用。該系統(tǒng)采用無(wú)接觸式白光三維掃描，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）、無(wú)接觸掃描，可以更加方便和精確地測(cè)量文物杯表面。（2）、照相式掃描，可以方便實(shí)現(xiàn)所見(jiàn)即所測(cè)的結(jié)果。（3）、白光掃描，避免了傳統(tǒng)的激光掃描對(duì)文物杯的潛在傷害。（4）、掃描時(shí)間短，點(diǎn)云數(shù)量大，可以提高掃描的可靠性。（5）、針對(duì)文物杯特征設(shè)定參數(shù)，更有效，更精確求解文物杯三維數(shù)據(jù)。 、軟件設(shè)施用于控制雙機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)、顯示效果以及運(yùn)行動(dòng)作的。三維點(diǎn)云反求軟件Winmoire，主要用于從二維圖像到三維圖像的反求、觀察以及自動(dòng)拼接。點(diǎn)云處理軟件Cloudform，用于對(duì)點(diǎn)云的預(yù)處理及數(shù)據(jù)保存格式的轉(zhuǎn)換。逆向工程軟件Geomagic，主要進(jìn)行三角網(wǎng)格劃分、四邊形網(wǎng)格剖分和曲面擬合，生成高精度的NURBS曲面，完成曲面的重建工作。實(shí)驗(yàn)第三章 實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)介紹本實(shí)驗(yàn)在南昌大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院三維圖像測(cè)量技術(shù)與逆向工程研究室完成，采用3DCamega三維數(shù)字化掃描系統(tǒng)對(duì)文物杯進(jìn)行光柵掃描，獲得文物杯雙光柵圖像，經(jīng)軟件解相等處理獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在Cloudform軟件中對(duì)獲得的點(diǎn)云進(jìn)行除噪、消差等預(yù)處理，并將轉(zhuǎn)換的IGES格式文件導(dǎo)入逆向工程軟件Geomagic中進(jìn)行多邊形和曲面處理，完成面部曲面的重構(gòu)工作。本實(shí)驗(yàn)的目的就是獲得準(zhǔn)確地文物杯三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)所采用儀器系統(tǒng)的特點(diǎn)，可以把實(shí)驗(yàn)分為兩大步驟：儀器系統(tǒng)的標(biāo)定和文物杯三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取。、儀器系統(tǒng)的標(biāo)定（1）設(shè)備組裝及連線1）整套設(shè)備由四部分組成：一臺(tái)XP電腦，兩臺(tái)相機(jī)，一臺(tái)專(zhuān)用光柵投影儀，轉(zhuǎn)臺(tái)。電腦與其他設(shè)備進(jìn)行連接。其中兩根USB接口線，一根鏈接電腦與轉(zhuǎn)臺(tái)控制盒，另一根鏈接電腦與CPU掃描頭，轉(zhuǎn)臺(tái)自身附帶一根串口線接連到控制盒，轉(zhuǎn)臺(tái)和控制盒還有一根串口線連接，兩個(gè)24伏電壓。2）完成上面步驟后，如第一次使用，會(huì)彈出相應(yīng)硬件驅(qū)動(dòng)安裝的提示，根據(jù)提示安裝驅(qū)動(dòng)。3）確認(rèn)第二屏幕已經(jīng)啟用，并設(shè)般只有一個(gè)用來(lái)連接顯示器的VGA接口，這是需要另一個(gè)顯卡來(lái)提置分辨率為1024X768。注意：在1）中，投影儀與電腦的連接在硬件條件容許的情況下是直接以VGA接口接入，但在常規(guī)臺(tái)式電腦上，一供一個(gè)VGA接口，也可以利用V2U轉(zhuǎn)換卡將VGA接口轉(zhuǎn)換成USB接口，可直接接上投影儀。 CPC控制程序主框架CPC控制程序主界面主要分為四大區(qū)域，上邊是菜單，左邊是控制面板，中間是預(yù)覽區(qū)域，下邊是信息區(qū)。控制面板主要分為系統(tǒng)控制面板和轉(zhuǎn)臺(tái)控制面板。相接連接處可以任意勾選兩個(gè)相機(jī)，類(lèi)似于左相機(jī)和右相機(jī)，兩相機(jī)有內(nèi)置編號(hào)，且具有唯一性。勾選兩相機(jī)可以選擇性的查看某個(gè)相機(jī)的預(yù)覽視圖，連續(xù)拍照可同時(shí)獲得兩個(gè)相機(jī)的一組特定照片。（2）設(shè)備調(diào)整及參數(shù)調(diào)整視場(chǎng)選取，光圈調(diào)整，光源補(bǔ)償，投影條紋調(diào)整。根據(jù)市場(chǎng)范圍標(biāo)定距離有兩種：相機(jī)在外側(cè)時(shí)，距離為780；相機(jī)在內(nèi)側(cè)時(shí)，：400和200視場(chǎng)， 300和150視場(chǎng)，100和50視場(chǎng)，600視場(chǎng)，25視場(chǎng)。光源檢測(cè)投影灰度的理論值與市級(jí)灰度只有差異性，而且相機(jī)采集得到的灰度會(huì)加大這種差異。于是，我們?cè)谶@里做光源補(bǔ)償使投影灰度與采集得到的灰度保持一致，即相機(jī)一定要調(diào)整清晰，投影條紋也要調(diào)整清晰。1） 打開(kāi)控制程序，點(diǎn)擊開(kāi)投光燈，把視頻跳到120左右，再打開(kāi)控制面板把條紋切換成對(duì)焦條紋，開(kāi)始對(duì)焦。2） 在條件容許的情況下關(guān)燈找一面實(shí)惠百?gòu)?qiáng)或者白板，根據(jù)視場(chǎng)大小讓投影儀透出明亮清晰圖形。3） 調(diào)整相機(jī)角度，讓相機(jī)中線與投影中線重合，最重要的是盡量讓相機(jī)視圖內(nèi)部全都在投影范圍內(nèi)4） 條紋調(diào)整。先把控制程序里的條紋切換成23或其他小一些的條紋，調(diào)整相機(jī)光圈1使得界面最清晰，前面光圈為最清晰，調(diào)整到條紋明暗特別清晰為好。5） 市場(chǎng)視角調(diào)好后調(diào)整光圈。打開(kāi)CPC控制軟件，先把條紋切換成白圖，點(diǎn)擊“光源檢測(cè)”會(huì)彈出光源檢測(cè)對(duì)話框，左上角的滑塊可調(diào)節(jié)相機(jī)的采集區(qū)域大小，滑動(dòng)快下方矩形顏色為當(dāng)前投影灰度，黃色矩形框表示滑塊標(biāo)定的采集區(qū)域。選擇“光圈調(diào)整”點(diǎn)擊“開(kāi)始”右邊顯示出當(dāng)前兩個(gè)相機(jī)采集到的灰度，數(shù)值為量化表示，藍(lán)色部分為圖形化表示，這是“開(kāi)始”變?yōu)椤皶和！?。在投影灰度?50的情況下，調(diào)整兩相機(jī)光圈值采集灰度值為100至200之間，兩相機(jī)調(diào)到基本一致。帶相機(jī)光圈調(diào)整后，點(diǎn)擊“暫停”。（3）根據(jù)你所選擇的視場(chǎng)，選擇適當(dāng)?shù)臉?biāo)定塊。注意標(biāo)定過(guò)程中標(biāo)定快的正確擺放方向。1） 先把打包中的kernel文件全部復(fù)制到D盤(pán)至mk7dat至kernel中，再把對(duì)應(yīng)視場(chǎng)的參數(shù)拷貝到相應(yīng)的文檔。2） 將標(biāo)定快放置穩(wěn)定，之力或靠后傾斜一定角度。打開(kāi)CPC控制軟件和winmoire，先把CPC控制軟件的條紋調(diào)為對(duì)焦條紋，移動(dòng)三腳架讓對(duì)焦線和標(biāo)定快的中心重合，再把CPC控制軟件