双目三维光学测量硬件系统结构设计
光学三维测量是一项集机械，电气，光学，信息工程技术于一体的前沿技术。该技术应用光学成像原理，对现实世界的物体进行扫描，通过复杂的数据分析、数字图像处理得到目标物体的三维形态数据。该技术几乎不受目标物体的形状限制，经过处理的虚拟数据具有广泛的应用价值。本次设计课题为双目三维光学测量硬件系统设计。本文以格雷码结构光三维测量为编码原理，用SolidWorks建立三维模型，MeshLab处理点云数据图像。硬件方面，除了PC，核心器件为美国德州仪器公司研发的DLP4500系列投影仪，以其先进的DMD（数字微镜器件）技术进行光栅的投射。相位移基本算法:通过采集10张光栅条纹图像相位初值，来获取被测物体的表面三维数据。关键词 三维测量；光栅投影；格雷码；结构光；标定目 录
1 引言 1
1.1 双目三维测量系统研究现状 1
1.2 论文的主要研究内容 2
2 总体方案设计 2
2.1 测量系统原理 2
2.2 系统连接示例 4
3 系统硬件选组 5
3.1 DLP4500投影仪 5
3.2工业相机及镜头 12
3.3 硬件三维模型设计 16
4软件安装及使用 18
4.1 TIDA-00254 18
4.2系统状态 20
5标定 21
5.1相机标定程序 21
5.2投影仪准备 25
5.3 投影仪和系统标定过程 26
5.4标定检测 26
6采集图像 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
1 引言
光学三维测量是一项集机械，电气，光学，信息工程技术于一体的前沿技术。该技术应用光学成像原理，对现实世界的物体进行扫描，通过复杂的数据分析、数字图像处理得到目标物体的三维形态数据。该技术几乎不受目标物体的形状限制，经过处理的虚拟数据具有广泛的应用价值。三维测量技术目前成熟地应用于3 D建模、工业检测、逆向工程、机器视觉和机器人工厂自动化、地貌测量、医学和生命科学、刑事鉴定、数字文物典藏、光谱和化学传感、材料标识、石油天然气分析、水和空
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
，信息工程技术于一体的前沿技术。该技术应用光学成像原理，对现实世界的物体进行扫描，通过复杂的数据分析、数字图像处理得到目标物体的三维形态数据。该技术几乎不受目标物体的形状限制，经过处理的虚拟数据具有广泛的应用价值。三维测量技术目前成熟地应用于3 D建模、工业检测、逆向工程、机器视觉和机器人工厂自动化、地貌测量、医学和生命科学、刑事鉴定、数字文物典藏、光谱和化学传感、材料标识、石油天然气分析、水和空气质量、食品与药品检验、电影制片、游戏创作素材等等[1-5]。
拍照式三维扫描原理类似照相机拍摄照片,它具有完善的评估模块，扫描速度快，测量精度高，灵活性强和适用范围广等优点，它可按用户的要求调整扫描范围。目前从小型叶片测量到大型汽车飞机整体三维扫面均可使用，相比传统的人工测量具有极高的性价比。本课题设计结双目三维测量硬件系统是一种三维扫描测量设备，采用的是目前先进的结构光非接触拍照测量原理。结构光三维扫描的基本原理是:采用一种集光学成像技术、计算机视觉技术、光栅相位测量技术的复合三维测量技术。采用这种测量原理，使得对物体进行照相测量，不同于相机拍照测量的是相机摄取的是物体的二维图象，而设计的测量系统得到的是物体的三维数据。与传统的三维扫描不同，该扫描能同时测量一个面。同时，很多新的三维测量方法与研究思路还在不断更新[5]。
1.1 双目三维测量系统研究现状
二十世纪八十年代,当美国、亚洲各国在研究激光三维测量技术时,德国己经开始对结构光三维测量技术进行研究[6]。1985年,德国光学测量技术中心率先利用相移干涉法实现了变形测量和振动分析，形成了一种新的三维形貌测量技术:相位测量轮廓术(PMP),专门从事三维测量方面的研究。近20年内相继推出了各种不同的测量系统,并在工业检测、逆向工程、人体测量等领域广泛应用。
近十年,西安交通大学、清华大学等许多国内高校也在学习国外先进技术的基础上,对结构光测量技术进行进一步研究,同时推出不少商品化的结构光测量系统,如:北京天远三维科技有限公司的OKIO一H型三维扫描仪[7],上海数造科技有限公司的3DSS综合型三维扫描仪等。上述系统在各个领域也得到了较多的应用,但是在测量速度、精度方面与国外先进设备还存在一定差距。
1.2 论文的主要研究内容
本文课题为“双目三维光学测量硬件系统结构设计”，主要包括机电部分和信息技术部分。机电部分部分主要由DLP4500投影仪、PC、相机和镜头等组成。
本文共分为六章，具体内容概述如下：
第一章 引言 对结构光三维扫描进行简要介绍，包括该技术的应用前景和技术优势。
第二章 总体方案 确定三维扫描系统总体方案设计，对扫描原理进行进一步阐述。
第三章 硬件选组 结构中各元器件选用、组装方案，硬件三维模型设计、分析了总体结构、使用要求。
第四章 软件安装及使用 按照TI（德州仪器）官网上的文档提供的资料下载安装相应的软件，学习各个软件的功能并熟悉其基本操作。
第五章 标定 硬件组装完毕，软件对硬件位置尺寸等进行标准定位。理解标定算法，标定成功即可。
第六章 采集实体数据 在PC上操作相应软件，对实体数据进行采集，得到相对完整的实体数据，得到的数据需要进行后期处理便可用于3D建模等相关应用。
最后，总结与回顾了主要研究内容，归纳了主要研究成果，并对为本文提供帮助的人员作出致谢。
2 总体方案设计
2.1 测量系统原理
三维扫描系统主体是德州仪器研发的DLP4500投影仪，投影仪包括USB接口连接PC,电源接口也是连接到计算机，最后一个接口通过触发线连接到相机的相应触发引脚，相机也有一个USB接口连接到计算机来传递图像。
图1 3 D扫描仪和相机的结构图
本系统由一个相机和一个DLP投影仪组成采用投影光栅法进行三维测量。DLP投影仪向被测物体投射一组光栅光，光栅图像强呈正旋分布,用相机拍摄被测物体上形成的变形光栅图像，然后利用拍摄得到的光栅图像,根据相位计算方法利用拍摄到的光栅图像处理得到光栅图像的绝对相位值，然后进行标定，最后根据标定好的系统参数根据绝对相位值分析计算出被测物体表面三维点云数据。相位移基本算法:通过采集10张光栅条纹图像相位初值[6]，来获取被测物体的表面三维数据。这种方法算法比较复杂，操作也复杂，精度比激光扫描稍微低些。如果光栅条纹图像光强是标准正线分布,那么分布函数为：
其中为图像的平均灰度,为图像的灰度调制,分别为图像的相位移,为待计算的相对相位值(也被称为相位主值)。其中
1 引言 1
1.1 双目三维测量系统研究现状 1
1.2 论文的主要研究内容 2
2 总体方案设计 2
2.1 测量系统原理 2
2.2 系统连接示例 4
3 系统硬件选组 5
3.1 DLP4500投影仪 5
3.2工业相机及镜头 12
3.3 硬件三维模型设计 16
4软件安装及使用 18
4.1 TIDA-00254 18
4.2系统状态 20
5标定 21
5.1相机标定程序 21
5.2投影仪准备 25
5.3 投影仪和系统标定过程 26
5.4标定检测 26
6采集图像 27
结论 29
致谢 30
参考文献 31
1 引言
光学三维测量是一项集机械，电气，光学，信息工程技术于一体的前沿技术。该技术应用光学成像原理，对现实世界的物体进行扫描，通过复杂的数据分析、数字图像处理得到目标物体的三维形态数据。该技术几乎不受目标物体的形状限制，经过处理的虚拟数据具有广泛的应用价值。三维测量技术目前成熟地应用于3 D建模、工业检测、逆向工程、机器视觉和机器人工厂自动化、地貌测量、医学和生命科学、刑事鉴定、数字文物典藏、光谱和化学传感、材料标识、石油天然气分析、水和空
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
，信息工程技术于一体的前沿技术。该技术应用光学成像原理，对现实世界的物体进行扫描，通过复杂的数据分析、数字图像处理得到目标物体的三维形态数据。该技术几乎不受目标物体的形状限制，经过处理的虚拟数据具有广泛的应用价值。三维测量技术目前成熟地应用于3 D建模、工业检测、逆向工程、机器视觉和机器人工厂自动化、地貌测量、医学和生命科学、刑事鉴定、数字文物典藏、光谱和化学传感、材料标识、石油天然气分析、水和空气质量、食品与药品检验、电影制片、游戏创作素材等等[1-5]。
拍照式三维扫描原理类似照相机拍摄照片,它具有完善的评估模块，扫描速度快，测量精度高，灵活性强和适用范围广等优点，它可按用户的要求调整扫描范围。目前从小型叶片测量到大型汽车飞机整体三维扫面均可使用，相比传统的人工测量具有极高的性价比。本课题设计结双目三维测量硬件系统是一种三维扫描测量设备，采用的是目前先进的结构光非接触拍照测量原理。结构光三维扫描的基本原理是:采用一种集光学成像技术、计算机视觉技术、光栅相位测量技术的复合三维测量技术。采用这种测量原理，使得对物体进行照相测量，不同于相机拍照测量的是相机摄取的是物体的二维图象，而设计的测量系统得到的是物体的三维数据。与传统的三维扫描不同，该扫描能同时测量一个面。同时，很多新的三维测量方法与研究思路还在不断更新[5]。
1.1 双目三维测量系统研究现状
二十世纪八十年代,当美国、亚洲各国在研究激光三维测量技术时,德国己经开始对结构光三维测量技术进行研究[6]。1985年,德国光学测量技术中心率先利用相移干涉法实现了变形测量和振动分析，形成了一种新的三维形貌测量技术:相位测量轮廓术(PMP),专门从事三维测量方面的研究。近20年内相继推出了各种不同的测量系统,并在工业检测、逆向工程、人体测量等领域广泛应用。
近十年,西安交通大学、清华大学等许多国内高校也在学习国外先进技术的基础上,对结构光测量技术进行进一步研究,同时推出不少商品化的结构光测量系统,如:北京天远三维科技有限公司的OKIO一H型三维扫描仪[7],上海数造科技有限公司的3DSS综合型三维扫描仪等。上述系统在各个领域也得到了较多的应用,但是在测量速度、精度方面与国外先进设备还存在一定差距。
1.2 论文的主要研究内容
本文课题为“双目三维光学测量硬件系统结构设计”，主要包括机电部分和信息技术部分。机电部分部分主要由DLP4500投影仪、PC、相机和镜头等组成。
本文共分为六章，具体内容概述如下：
第一章 引言 对结构光三维扫描进行简要介绍，包括该技术的应用前景和技术优势。
第二章 总体方案 确定三维扫描系统总体方案设计，对扫描原理进行进一步阐述。
第三章 硬件选组 结构中各元器件选用、组装方案，硬件三维模型设计、分析了总体结构、使用要求。
第四章 软件安装及使用 按照TI（德州仪器）官网上的文档提供的资料下载安装相应的软件，学习各个软件的功能并熟悉其基本操作。
第五章 标定 硬件组装完毕，软件对硬件位置尺寸等进行标准定位。理解标定算法，标定成功即可。
第六章 采集实体数据 在PC上操作相应软件，对实体数据进行采集，得到相对完整的实体数据，得到的数据需要进行后期处理便可用于3D建模等相关应用。
最后，总结与回顾了主要研究内容，归纳了主要研究成果，并对为本文提供帮助的人员作出致谢。
2 总体方案设计
2.1 测量系统原理
三维扫描系统主体是德州仪器研发的DLP4500投影仪，投影仪包括USB接口连接PC,电源接口也是连接到计算机，最后一个接口通过触发线连接到相机的相应触发引脚，相机也有一个USB接口连接到计算机来传递图像。
图1 3 D扫描仪和相机的结构图
本系统由一个相机和一个DLP投影仪组成采用投影光栅法进行三维测量。DLP投影仪向被测物体投射一组光栅光，光栅图像强呈正旋分布,用相机拍摄被测物体上形成的变形光栅图像，然后利用拍摄得到的光栅图像,根据相位计算方法利用拍摄到的光栅图像处理得到光栅图像的绝对相位值，然后进行标定，最后根据标定好的系统参数根据绝对相位值分析计算出被测物体表面三维点云数据。相位移基本算法:通过采集10张光栅条纹图像相位初值[6]，来获取被测物体的表面三维数据。这种方法算法比较复杂，操作也复杂，精度比激光扫描稍微低些。如果光栅条纹图像光强是标准正线分布,那么分布函数为：
其中为图像的平均灰度,为图像的灰度调制,分别为图像的相位移,为待计算的相对相位值(也被称为相位主值)。其中
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