华中科技大学硕士学位论文面结构光三维测量系统的精度研究姓名：杜宪申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：王从军20090522华中科技大学硕士学位论文摘要结构光测量系统在工业检测、人体测量、文物保护和反求工程等众多领域具有广泛的应用前景。
国外的面结构光三维测量技术已相对成熟，但设备价格昂贵。
国内也有一些单位开展了相关研究，但普遍存在着精度不高、稳定性差等缺点。
为此，本文在简要介绍结构光三维测量技术原理的基础上，系统分析了光栅条纹数和数字光栅投影装置的伽马非线性对测量精度的影响，以期进一步提高课题组前期开发的三维测量系统的精度。
面结构光三维测量系统，首先使用相移法和多频外差原理进行稳定高精度的相位计算；然后根据预先标定的系统参数，从得到的相位灰度图重构出被测物体的三维点云数据。
由三维重构过程可知，光栅周期数的增加可以降低立体匹配的误差，本文通过理论推导和实验研究，分析了不同光栅周期数对系统测量精度的影响，并为系统选择了一个最优的光栅周期数。
当周期数为110~120时，系统的测量精度最高，滤波后可达0.037mm。
此外，三维重构的精度还与相位计算的精度有关，根据现有研究，投影仪的伽马非线性是相位误差的主要来源。
本文分析了不同伽马值和不同条纹周期数的测量精度，发现条纹周期数抑制了伽马非线性，提高了相位计算的精度。
最后，通过分析不同距离的平面精度、拟合标准球直径及距离等测量实验，表明系统的测量精度稳定可靠，绝对测量精度可达0.05mm。
关键词：结构光;光栅周期数;误差;非线性华中科技大学硕士学位论文AbstractStructured Light Measurement System (SLMS) is widely used in many fields such as industrial inspection, human body measurement, Protection of Cultural Relics and reverse engineering etc. In abroad, SLMS is well developped, but they are always expensive. In China, lots of research work has been made on it, but they are poor in accuracy and stability. So, this paper, which is based on a brief introduction of the structured light measurement technology, analyzes the impact of the period number of fringe pattern and gamma non-linear of Digital Projector, attempt to further improve the precision of pre-development measurement system.In our SLMS, phase-shifting method and multi-frequency heterodyne principle were imployed to obtain phrase gray map, then 3D data could be reconstructed base on the pre-calibrated parameters.According to the process of 3D reconstruction, we found that the increase of the period number of fringe pattern can reduce the error. So this paper analyzed the relationship between period number of fringe pattern and accuracy through theoretical research and experiments. Then we can conclude that the optimal period number is 110~120 and the SLMS gets the highest precision which is up to 0.037mm after filtering.In addition, the calculated phase value can also affect the accuracy of 3D reconstruction. According to research, gamma non-linear of projector is the main error source of the phase error. This paper analyzes 3D date by using different gamma values and different the period numbers of fringe pattern, then found that the period number of fringe pattern can inhibit the effect of the gamma non-linear of projector and improved the accuracy of the phase calculation.Finally, a series of measurement experiment, such as analyses of the accuracy in different distance and fitting diameter and distance of the standard ball, shows that the accuracy of system is stable and repeatability and the absolute measurement accuracy is 0.05mm.Key words: Structured light; Period number of fringe pattern; Error; Non-linear独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
学位论文作者签名：杜宪日期： 2009年 5月 22日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
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（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：杜宪指导教师签名：王从军日期：2009年5月29日日期： 2009年5月 29日华中科技大学硕士学位论文1 绪论近年来，随着光学、计算机以及图像处理等技术的发展，光学非接触式测量技术也得到很大发展。
非接触式测量由于具有测量速度快、测量精度高、非接触以及易于实现自动化测量等优点[1], 在测量领域中占有很重要的地位，广泛应用于各个领域。
尤其在当今社会，工业产品的设计和研发周期越来越短，借助三维测量技术可以加快产品的更新换代能力，提高生产厂家的竞争力。
非接触式三维测量设备由于可以离被测物体一段距离，因而更适合生产过程控制和在线实时检测，如汽车车身、飞机外壳、轮机叶片等加工制造中的实时在线检测[2]。
另外，对于危险区域中的检测，非接触式测量有其无可比拟的优势，特别是热态大型锻件的实时尺寸检测和异型材的断面尺寸检测，可以实现实时监控生产线的稳定性，有效得控制废品率。
非接触式三维测量技术也应用于人体和人脸测量[3]。
在人脸测量方面，传统的雕刻、泥塑等方法也能制作出栩栩如生的人像，但是需要较高的艺术素养和技术，较长的制作时间，成本也相对较高。
而利用光学非接触式三维测量技术实现人脸重构的方法则相对简单，如结合快速成形技术，则可以较快的制作人像。
使用非接触式设备测量物体的三维形貌时，因为测量手段为非破坏和非接触式，可以避免对被测物体（如贵重文物和软表面的物体）的损伤[4]，为文化遗产复原和保护提供了新的方法。
例如，可以借助先进的测量技术和虚拟现实技术对文物和文化遗产进行数字化展示，并且在文物辅助陈列和鉴定等很多方面具有重要的现实意义。
此外，测量技术在其它很多领域也有重要应用，不在此一一列举。
非接触式测量技术在国外已经比较成熟，国外的许多公司和高校，对非接触式测量技术的理论和产品的商品化进行了广泛的研究。
从总体上说，国内与国外商品化的产品相比还有很大的差距[5]。
国内已经商品化的产品普遍存在着设备精度不高、抗干扰性差、稳定性不好等缺点，尚未达到可以大面积推广与应用的水平[4]。
非接触式测量对于反求工程有非常重要的意义。
逆向工程（Reverse Engineerin g），也称反求工程，就是以现存的实物和模型为依据，对其三维形状进行测量并重构出数字模型，通过对数字模型的分析、修改等，可以达到对产品快速设计和造型华中科技大学硕士学位论文的目的[6]。
在现代产品开发的过程中，由于产品的形状愈趋复杂，并且消费者愈来愈追求造型美观和个性，所以产品外观不可难免得包含很多数学模型难以描述的自由曲面，所以产品设计师很难直接进行三维建模，反求工程为此提供了很好的解决方案。
因此，对非接触式的三维测量设备的精度和算法进行研究，能够从整体上加速我国对国外先进技术和设备的消化和吸收能力，提高产品的生产率和缩短新产品的研发周期，进而促进国内众多的中小企业生产力水平的提高。
另外，反求工程在对汽车、模具等行业的应用里具有十分独特的优势。
如车身造型，汽车内饰件，汽车零部件的造型都离不开反求工程。
所以，我们对反求设备进行研究和开发，具有巨大的经济效益和社会效益。
1.1光学测量方法概述1.1.1光学测量方法分类现在，三维测量设备和方法有很多种。