基于光栅投影的三维轮廓检测系统研究.pdf

第十七届中国过程控制会议论文集 基于光栅投影的三维轮廓检测系统 盖绍彦 ，达飞鹏 （东南大学自动化研究所，江苏 南京 210096） 摘要：本文构建了一个基于投影仪针孔模型为的光栅投影三维轮廓检测系统，本系统克服了传统光栅投影轮 廓检测法中对系统结构的严格要求，模型中摄像机和投影装置可以采取任意相对位置，并无任何严格的平行， 垂直或相交的要求，结构简单，易于实现。试验表明，本系统有较高的实用价值。 关键词：三维轮廓测量；光栅投影；标定 0 引 言 三维轮廓检测技术是通过特定的测量系统和测量方法获取物体表面点的三维几何数据，广泛的用于高 速在线检测、质量控制、CAD/CAM等领域。其中比较有代表性的有光栅投影法[1,2]，光线结构光法（光切 法）等。其中光栅投影轮廓检测法是一种主动式全场三角测量技术，通过向物体投射光栅图样，在不同于 投影光轴的方向观察，利用目标物点、投影点、图像像点的三角关系获得物体的三维外表信息。这种技术 由于具有快速，分辩率高，非接触和数据获取速度快等优点，是一种有着广阔应用前途的三维轮廓测量方 法。 传统的光栅投影轮廓检测方法，对系统中投影装置、CCD 和参考面的相对位置关系要求严格，如光心 和投影中心的连线平行于参考面，光轴（或投影轴）垂直于参考面，光轴和投影轴相交于参考面（或两轴 平行）等。在实际测量时，由于光心是一个假想的空间点，光轴是一条假想的空间直线，具体的位置很难 确定，投影中心和投影轴也是如此，实际操作中上述位置关系很难达到，导致系统的装配、调整过程繁锁， 可操作性不好，而且影响了系统的测量精度。 本文针对由摄像机、投影仪构建的光栅投影测量系统，建立了以投影仪针孔模型[3]为基础的测量系统。 系统对摄像机、投影装置的位置关系无任何严格的平行，垂直或相交的要求，系统构建简单，可操作性强。 1 经典光栅三角法模型 图 1 描述的是经典光栅投影三角法模型，模型中各参量的意义如下： Ω ： 摄像机坐标系O X Y Z ，原点 O 位于镜头光心。Z 位于光轴，X ，Y 分别平行于 CCD c c c c c c c c c 成像面的横轴，纵轴。 ： 投影仪坐标系 ，原点 位于镜头光心。 位于投影仪光轴， ， 分别平行 Ω O X Y Z O Z X Y P P P P P P P P P 于投影光栅面的横轴，纵轴。 Ω ： 世界坐标系 OXYZ 。参考面（又称基准面）即本坐标系的OXY 平面。 w P ： 物点，在参考面上的投影为P ′ 。 作者简介：盖绍彦（1979-），男，山东青岛人，博士生，三维重构. 507 第十七届中国过程控制会议论文集 图 1 经典光栅投影三角法原理图 如图 1 所示，该模型中， 平行于 Y ，摄像机坐标系的 平面，投影仪坐标系的 平 Y O X Z O X Z c p c c c P P P 面位于同一平面上，即世界坐标系的OXZ 平面，图 1 所描述的，就是这个平面内的物像关系。这样，在 这个平面中，当光心与投影中心连线平行于参考面，摄像机光轴与投影仪光轴交于