l)
本系统采用投影仪将经过编码的条纹光栅投射到实体上，通过两个摄像头同时采集实 体图像。
2)采集到的二维图像包含了各种各样的随机噪声和畸变，因此需要对原始图像 进行预处理。图像预处理的目的主要有两个:一是改善图像的视觉效果，提高图像清 晰度;二是使图像变得更有利于计算机处理，便于各种特征分析，如特征点识别、定 位等。
3)摄像机标定是为了确定摄像机的位置、属性参数和建立成像模型，以便确定空间坐标系中物体点与它在图像平面上像点之间的对应关系。摄像机标定需要确定内
部参数和外部参数，内部参数包括摄像机内部的几何和光学特性，外部参数是指相对 一个物方坐标系的摄像机坐标系的三维位置和方向。本系统中，使用两个摄像头，需 要在进行测量之前同时进行标定。
4)立体匹配是指根据对所选特征的计算，依照一定的约束条件，建立特征之间 的对应关系，从而将同一个空间物理点在不同图像中的映像点对应起来，为后续的三 维重建提供基础。
5)三维重建是指在立体匹配得到视差图像之后，恢复场景三维信息，并确定点 云。影响距离测量精度的主要因素有:数字量化效应、摄像机标定误差、特征检测与 匹配定位精度等。
4.3.2多频外差密集点云相移测量技术
三维面结构光测量系统采用结构光非接触式测量原理，如图4-6所示，它结合结 构光、相位测量、计算机视觉等技术于一体，通过光栅投影装置将数幅特定编码的条 纹光栅投射到待测物体上，并由成一定夹角的两个摄像头同步采集相应图像，然后对 图像进行解码和相位计算，并利用立体匹配技术和三角形测量原理，计算出两个摄像 机公共视区内像素点的三维坐标，从而实现物体的三维信息数字化和测量。
双目视觉系统使用两套光学镜头和CCD相机，采集光学投影装置投射到物体表面 的面结构光，利用系统初始时的标定值可解算出被测工件表面每个点的三维坐标信息。
当光栅图案投射到被测物表面时，受物体表面轮廓的调制，光栅条纹会产生形变， 这种变形条纹可解释为相位和振幅均被调制的空间载波信号。采集变形条纹并且对其 进行解调可以得到包含轮廓信息的相位变化，最后根据三角法原理计算出表面形貌， 这类方法又称为相位法。基于相位测量的三维轮廓测量技术的理论依据也是光学三角 法，但与光学三角法的轮廓术有所不同，它不直接去寻找和判断由于物体高度变动后 的像点，而是通过相位测量间接地实现，由于相位信息的参与，使得这类方法与单纯光学三角法有很大区别，其精度也有较大提高。
相位测量轮廓术需要精密的相移装置和正弦性良好的条纹，相移不准和投影条纹 的非正弦性会对测量引入高次谐波误差。随着投影方式从早期的幻灯机投影到现在的 LCD(Liquid Crystal Display)及DLP ( Digital light processor)投影的发展，相移的准确性 己可以得到较好的保证。LCD和DLP一个显著优点是可编程性，可以根据需要在计算 机内产生有一定相差的若干帧相移条纹，然后按照相移顺序由DLP依次投影到物体上， 实现相移。这种相移方法可以实现零相移误差，避免由于相移不准引起的测量误差。 相位测量轮廓法((PMP)的难点在于解包裹方法。目前常用解包裹方法为格雷Gray 码法[136]，如图4-7所示:
投影Gray编码的条纹时，第一次投影与待解相条纹节距相同的Gray码条纹，并 以摄像机摄取其图像;第二次投影节距2倍于待解相条纹的Gray码条纹，同样以摄像 机摄取其图像。以此类推，直到Gray码条纹的节距达到视场一半时为止。
解码时，首先把上面得到的各图像进行二值化;然后在图像上任意一点，获取该 点在各图像中的码值(黑色图像点的码值为0，白色图像点的码值为1)，把获取的各码 值按顺序排列((Gray条纹节距大的其码值排在前)，得到该点的Gray码;将Gray码转 换为二进制码，然后再转化为十进制码，该十进制码就是该点所在条纹的级数。 格雷码方法己经比较成熟，其优点是条纹定级非常方便，直接根据黑白分布求得 格雷码，再解码便获成功，算法实现简单，易于实现产品化。但是缺点非常明显:一 是格雷码只是用于对测量幅面的分级，对计算物体的相位没有帮助，无法提高测量精 度;二是格雷码的使用造成测量系统对测量工件的表面明暗比较敏感，黑白交界处容 易受到噪声的干扰，一般要喷显影剂才能测量，无法测量较暗和表面剧烈变化的工件; 三是单次测量幅面较小，一般小于400 mm o
对于格雷码加相移的三维测量技术的缺点，国外一直在研究新的替代方法，提出 了很多测量技术，其中外差式多频相移技术是发展较快的方法。国内外研究者以前提 出过双频相移技术，虽然摆脱了格雷码，提出了采用查找表法的双频相移技术、贝叶
斯估计法的双频相移技术等，但是实际测量效果都不理想，大量试验和理论证明采用 双频相移技术无法满足实际测量需要，外差式多频相移技术是在双频相移技术的基础 上发展而来的，其光栅数目大于两个，一般为3至6个，而且多种频率光栅需要进行多次相移，因此其技术难度大大增加。
采用多频外插相移技术与传统的格雷码加相移相比，具有以下突出优点:
1)测量工件不受明暗的影响。该技术放弃了格雷码，采用多频相移技术，因此 该技术就避免了格雷码带来的问题，对测量工件的明暗基本不受影响，可在自然光照 下，不用喷显影剂就可测量大多数的工件。
2) au」量幅面可以更大，而测量时间减少。如果采用格雷码，测量幅面增大后， 必须增加格雷码的编码位数，必须投射更多幅的格雷码，增加了测量时间。外差式多 频相移技术更适于测量更大幅面的工件。
3)测量精度更高。采用格雷码加相移的三维测量技术，其测量精度主要由一幅 光栅四次相移决定，格雷码的使用没有提高测量精度。而外差式多频相移三维光学测 量技术采用多个频率的光栅相移，比只投射一种频率的光栅精度更高，抗干扰能力强。 4)可以测量非连续、表面剧烈变化的工件。
这种方法分别投影多种不同空间频率的条纹于待测面上，摄像机摄取变形的条纹 图，并利用相移法求取多种条纹的相位主值，把相位主值代入一个非常简洁的表达式 就可以恢复出条纹的真实相位。此解包裹过程针对各点单独进行，所以不会出现误差 传递的现象，可以有效保证点云识别的精确程度，比原来所采用的格雷码结构光投影 加相移的方法更加精确，更能够适应工业现场精密检测的需要。 4.3.3光学系统的精度分析 1>光学镜头的性能指标
光学器件的光学性能规格对机器视觉系统的性能和精度有很大的影响。如何正确 分析测量头的光学性能规格，从而选择出最适合测量需求的光学器件，对整个系统的 测量精度有积极的意义。
视觉系统光学性能的4项最基本参数是视场(field of view )、分辨率(resolution ) , 工作距离(working distance)和景深(depth of field。同时根据不同的应用需要，还要 考虑包括焦距(f)、失真(distortion )、镜头畸变等特性[30]
从系统结构和硬件组成来讲，针对不同的被测物体，根据其大小、形状、精度要 求，选择不同的镜头组和测量方式进行测量，也对测量结果的精度有影响。即使是针 对同一幅面的测量要求，不同品牌、型号、焦段的镜头光学性能的差异，甚至同一型 号镜头之间的个体差异，都会影响最终的测量精度和检测结果。本章重点做了对光学 系统的精度测试和选型工作。
2)三维光学系统精度测试的国际标准
针对三维光学系统的精度测试分析，本文研究并采用了VDI/VDE协会一一照相测量和自动控制(GMA，和德国照相测量和遥感协会的近距摄影工作组起草的VDI/VDE
-2634标准。本规则自2002年提出Partl，并不断修改完善，直至2006年提出的Part3 是目前国际上针对光学测量系统进行精度评估的最新标准。德国GOM公司在2007年 的用户大会上也开始提到该标准，并准备将其ATOS系统应用于工业检测领域。本文 在国内首先引入该标准设计并实施了针对三维面结构光测量系统的精度测试方案，并 通过大量实验，对XJTUOM三维面结构光测量系统的精度进行评估和提高。
4.3.4影响测量精度的因素分析
通过对大量的实验和实际测量工作，总结出三维面结构光测量系统的测量误差主
要表现为以下几种形式:
(1)采集数据缺失或数据密度达不到要求。用这种不完整的数据进行点云拟合， 误差较大，难以达到要求的测量精度。
(2)对同一表面的数据采集结果表现为多层点云。这种情况往往出现于大型工件。 (3)单幅采集数据不准确，影响整体测量精度。
(4)多幅点云的拼接累积误差过大，使测量结果出现明显偏差。 (5)点云拼接错误，导致较大测量误差。 (6)测量结果中粗大点(噪音)数据过多。
针对上述问题，在前期点云采集的过程中，经过多方面的实验和测试分析，将产 生较大测量误差的主要原因归纳为:标定不当;镜头组合选择不当;测量顺序不当; 工件表面标志点分布不当;工件被测表面预处理不当;后处理不当等。 4.4多相机三维重建
在具体的工业测量作业环境中，往往存在遮挡、振动等因素，影响正常的测量过 程，因此需要采用三个或者三个以上的相机组成测量系统，见图4-21，避免遮挡问题， 增加系统冗余度，提高测量精度。
5三维变形测量方法研究 5.1引言
随着工业现代化的发展，对于大型工件的静态大变形的测量需求日益增加，如飞 机蒙皮变形、船舶壳体变形、汽车负载变形、大型水轮机叶片变形、风力发电机叶片 变形、大型结构件变形等。这些变形测量的结果，将为工件的加工设计提供可靠的参 考依据。同时对于某些特殊要求下的检测，如飞机机翼不同位置状态下，左右机翼对 称性的检测等，可以视为特殊的变形情况测量。而原有的测量手段，如应变片测量仅 能获得被测物体局部的应力应变情况，并不能反映其整体的形状变形;位移传感器的 测量量程有限，且无法反应整体位移场的变形信息。而随着ccD技术、计算机视觉技 术等的发展，工业摄影测量技术研究有了长足的发展，使用摄影测量技术可以高效、 准确、非接触地获取被测物体表面所设置的关键点的三维空间信息。本章正是基于工 业摄影测量技术，研究了如何将各个状态下的被测物体的三维空间信息相互匹配，从 而获得被测物体在多个变形状态下的三维空间位移变形信息，实现大型工件静态变形 测量。
数字图像相关方法作为一种非接触式光测力学实验方法，可用于测量物体的动态 数字图像相关方法作为一种非接触式光测力学实验方法，可用于测量物体的动态
变形。该方法所具有的优势，可以弥补一些传统变形测量方法中存在的布线复杂费时、 不易得到全场数据以及测量环境要求过高等不足。在深入研究国内外己有变形测量理 论的基础上，考虑了实验和实际工程测量需要，本文将立体视觉技术和数字图像相关 方法相结合，研究并实现了基于数字图像相关法的三维动态变形测量方法。研究了数 字图像相关的基本原理、相关系数、相关搜索算法以及相关区域校正模型，通过引入 盒滤波改进了整像素相关搜索算法。对影响测量精度的因素进行了分析并提出了散斑 图像光照不均匀的校正方法。 5.2静态变形测量
5.2.1静态变形测量原理
本文研究的静态变形测量所采用的方法为:通过测量放置在被测物体上的标志点 在各个变形状态下的空间三维坐标信息的改变，从而反映出被测物体的整体位移变形 场信息。采用摄影测量技术获得大型工件上所放置的人工标志点的三维空间信息，具 有精度高、自动化程度高、放置简单、工作量小等优点。
图_5-1为静态变形测量系统测量流程图。其中(a)为在线测量流程图，Cb)为离 线测量流程图。 1)放置全球点
在被测物体四周，不发生变形的位置(如地面、固定支撑物等)放置编码标志点 作为全球点，全球点在后期坐标配准中使用。全球点的放置应满足:
(a)全球点作为各个状态间相互转换的基准，应放置在不随工件发生变形的位置， 以保证变形过程中全球点的空间位置不发生改变。
(b)根据不同的工件尺寸和形状，放置全球点时应不少于4个，并且所有全球点应 不在同一平面内。
(c)所有全球点所构成的区域应将变形工件包围在内。 2)放置标志点
根据摄影测量的要求，在被测物体周围和被测物体的表面放置(一般多为粘贴) 标志点(包括编码标志点和非编码标志点)，标志点将随工件的变形而改变空间位置， 以作为后期反映工件变形量的计算数据。标志点的放置应满足:
(a)标志点作为后期变形计算的数据，应紧密粘贴在工件的变形区域，使其在变形 过程中不会发生脱落，粘贴时切勿折叠或弄脏变形点;
(b)要求编码标志点的粘贴密度应满足每张照片中有大于4个编码标志点; (c)摆放非编码标志点时应满足各个方向的拍照都能看到8个点以上;