基于结构光的物体表面轮廓测量系统实验举例

利用LCD 投影仪作为投影装置，通过计算机编程生成投影所需要的正弦光栅，这样能够方便地根据被测物体以及测量的要求改变条纹的周期、初始相位、对比度和亮度等参数，以适应不同测量环境的要求，同时也便于实现投影光栅移相，而不需要其他的辅助移动装置，这样就大大提高了测量系统的适应性。利用高分辨率的数码照相机获取参考面和被测物体表面的条纹图，然后进行图像处理、相位提取和三维计算得到被测物体的轮廓信息。

实验系统的构建如图5.35所示，主要的实验设备有：

图5.35　基于结构光的物体表面轮廓测量系统实验装置

（1）投影仪采用Sony VPL-CX71，具体的参数：

LCD 液晶面板：0.79 英寸XGA 液晶板，像素数1 024 ×768；

投影机镜头：1.2 倍变焦，变焦范围23.5～28.2 mm，F1.6～1.78；

输出亮度：2 500 lm；

投影距离：80 英寸：2.4～2.7 m。

（2）相机采用SamSung Digimax 350SE，具体的参数：

1/1.8　″CCD，2 048 ×1 536 像素；

3 倍光学变焦，变焦范围7.0～21.0 mm。

为了提高实验测量精度，要求测量系统（包括投影仪、相机）的图像分辨率尽可能高，在布置实验系统时应注意以下事项：

（1）在保证测量精度的同时，尽量使投影仪和照相机之间的距离近，这样可以提高测量范围，同时减小遮挡的影响。

（2）将待测量物体放置在合适的位置，使其处于投影仪的整个投影范围中，同时结合对照相机焦距的调节，使被测物体的像在照相机的成像范围之内。(www.xing528.com)

布置好实验系统后，将预先用计算机设计好的正弦光栅投影在参考面和被测物体表面上，由照相机获取参考面和被测目标物体表面的变形条纹图。然后对获取的实验图像进行处理，包括图像预处理、相位主值计算、解包裹、系统标定、三维数据计算，具体的处理过程如图5.36所示。

图5.36　实验数据处理流程图

利用设计的物体表面轮廓测量实验系统对目标物体进行了轮廓测量，图5.37（a）为被测目标物体（碗的背面），图5.37（b）为正弦光栅投影在参考面上的条纹图，图5.37（c）为被测物体表面的变形条纹图。

图5.37　被测物体和条纹图

（a）被测物体；（b）参考面条纹；（c）物体表面条纹图

得到参考面和被测物体表面条纹图后，经过初步的图像预处理，如图像变换、滤波和平滑处理，然后计算被测物体和参考面的相位差，最后利用基于可靠性排序的解包裹方法进行解包裹，得到解包裹后的相位差分布。图5.38所示为相位差的某一行分布（取中间一行），图5.38（a）为包裹相位，图5.38（b）为进行解包裹后的结果。

图5.38　某一行的相位图

（a）包裹相位；（b）解包裹相位

对测量系统进行标定，根据标定的结果可以由展开相位计算出物体三维数据，然后利用仿真软件得到被测物体的三维轮廓图，如图5.39所示。图中不同的灰度深度对应不同的高度分布。由实验系统测量得到的物体中心高度为79.498 5 mm，利用游标卡尺多次测量后取平均值得到的物体中心高度为79.497 mm，与非接触方法测得的结果非常接近。

图5.39　被测物体的三维轮廓图