采用lcd投影实现三维扫描仪技术的研究

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引言
物体3d外形轮廓的非接触快速高精度测量是目前测量领域和机械领域研究的一个重要方向，根据需要已经研发了多种基于结构光和ccd组成的视觉测量系统，在汽车制造业、家电业、玩具业、模具业、航天业、五金业等行业中得到应用。3d非接触测量一般采用主动式照明方式，主动照明是指由测量系统向被测物体投射出特殊的结构光，通过扫描、编码或调制技术，结合立体视觉技术来获得待测物体表面的3d信息。在主动式测量系统中按投射光类型可分为点结构光、线结构光、面结构光、白光光栅、彩色光栅五种。各种结构光又可按扫描、位相调制、空间编码分类。这些系统测量精度较高，但需要高精度的扫描机构，或者是复杂的机械设计，造价昂贵。基于lcd的立体视觉传感器三维扫描仪技术采用lcd光栅投影和空间编码方法，与传统方案相比具有造价低、测量匹配精度高，操作简单，可改变编码图案以适应不同编码方式的优点。
2.测量方案设计
基于lcd的立体视觉传感器三维扫描仪方案，系统由两个摄像机、光学投影系统(包括lcd)、控制器和计算机组成。两个摄像机组成立体视觉传感器，获取物体表面的信息，根据这些信息可计算出被测物体的3d外形轮廓；控制器在计算机的控制下控制lcd显示出不同的图案，并且根据需要切换视频信号，配合计算机采集图像；光学投影系统由光源、聚光镜、lcd、投影物镜组成，用于将lcd上的图案投影在被测物上，在被测物上形成所需图案，用于形成匹配点。要计算出被测物体的3d外形轮廓，必须知道立体视觉传感器的结构参数和摄像机的内部参数，以及被测物体表面上每个点在两个摄像机上分别对应的点，即匹配点。测量系统的整体性能依赖于摄像机内部参数和传感器结构参数的标定精度。有关摄像机和双目视觉传感器的标定技术已经进行了大量研究，并取得了丰富的研究成果。匹配点的获取也有多种方式，并且有了相应的应用。本文针对基于lcd投影和立体视觉测量技术的特点，研究立体视觉传感器匹配点获取技术。
3.立体视觉传感器三维扫描仪模型
立体视觉传感器的测量原理基于立体视差法，传感器模拟人体的双眼，由两台摄像机组成，利用空间点在两摄像机像平面上的透视成像点坐标来求取空间点的三维坐标。要实现测量，立体视觉传感器必须经过标定，即每个摄像机内外部参数的标定和两台摄像机之间的位置参数的标定。
4.匹配点的形成
从立体视觉传感器的数学模型可以看出，要测量一个曲面，必须使曲面上每一个点在两个摄像机的图像平面上找到其对应的像点，即匹配点。匹配点的查找有点扫描，光栅编码等方法。点扫描测量图像处理简单，但需扫描整个被测物，需辅助扫描系统，速度慢且精度低，但图像处理简单，抗干扰性能较好；光栅编码图像处理复杂，抗干扰性能差，匹配精度不高，但测量速度比较快。由于lcd可根据需要随时改变图像，速度快且定位精度高，不需要复杂的机械机构就可实现空间编码。所以通过lcd投射出多种规则空间编码图案，将被测曲面编码，然后将多幅图像从粗到细进行匹配，可获得很高的匹配精度，这种方法测量速度快，且操作简单。基于lcd系统的编码原理，光学投影系统将可以将lcd的图案投射到被测物上，受被测形面调制成测量图案。lcd经控制系统可以显示出n次编码图案，形成空间n位二进制编码，则空间上的点可对应唯一的n位二进制编码。如空间p点的编码为0…．101(p点在黑图案区为编码1，在白图案区为编码0)。左右摄像机中可根据这一编码来确定匹配的空间点。
这样所找到的匹配点是粗略的(在一个最小的黑块或白块内的所有点都符合这一编码)，黑块或白块越小，匹配点就越多，精度就越高，由于lcd有一定的分辨率，所以最小的块并不能够无限小下去，为了获得更高匹配精度，进一步采用图像匹配算法对每一个粗匹配点进行更精确的细匹配这种基于粗编码匹配后的细灰度匹配有效的减少了匹配算法的计算量，并保持了匹配算法的高精度，在测量中取得了较好的效果。
5.实验结果
为了验证系统的测量精度。实验采用一标准平面块，用lcd投影双目视觉传感器对其表面进行测量，测量点共680个，测量区域为40rnm*60mm，测量的分辨率小于0.5mm，所有空间三维点用最小二乘法拟合空间平面，拟合的误差最大的测量误差为：0.28ram。