引言
物體3d外形輪廓的非接觸快速高精度測量是目前測量領(lǐng)域和機械領(lǐng)域研究的一個重要方向，根據(jù)需要已經(jīng)研發(fā)了多種基于結(jié)構(gòu)光和ccd組成的視覺測量系統(tǒng)，在汽車制造業(yè)、家電業(yè)、玩具業(yè)、模具業(yè)、航天業(yè)、五金業(yè)等行業(yè)中得到應(yīng)用。3d非接觸測量一般采用主動式照明方式，主動照明是指由測量系統(tǒng)向被測物體投射出特殊的結(jié)構(gòu)光，通過掃描、編碼或調(diào)制技術(shù)，結(jié)合立體視覺技術(shù)來獲得待測物體表面的3d信息。在主動式測量系統(tǒng)中按投射光類型可分為點結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光、面結(jié)構(gòu)光、白光光柵、彩色光柵五種。各種結(jié)構(gòu)光又可按掃描、位相調(diào)制、空間編碼分類。這些系統(tǒng)測量精度較高，但需要高精度的掃描機構(gòu)，或者是復(fù)雜的機械設(shè)計，造價昂貴。基于lcd的立體視覺傳感器三維掃描儀技術(shù)采用lcd光柵投影和空間編碼方法，與傳統(tǒng)方案相比具有造價低、測量匹配精度高，操作簡單，可改變編碼圖案以適應(yīng)不同編碼方式的優(yōu)點。
2.測量方案設(shè)計
基于lcd的立體視覺傳感器三維掃描儀方案，系統(tǒng)由兩個攝像機、光學(xué)投影系統(tǒng)(包括lcd)、控制器和計算機組成。兩個攝像機組成立體視覺傳感器，獲取物體表面的信息，根據(jù)這些信息可計算出被測物體的3d外形輪廓；控制器在計算機的控制下控制lcd顯示出不同的圖案，并且根據(jù)需要切換視頻信號，配合計算機采集圖像；光學(xué)投影系統(tǒng)由光源、聚光鏡、lcd、投影物鏡組成，用于將lcd上的圖案投影在被測物上，在被測物上形成所需圖案，用于形成匹配點。要計算出被測物體的3d外形輪廓，必須知道立體視覺傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和攝像機的內(nèi)部參數(shù)，以及被測物體表面上每個點在兩個攝像機上分別對應(yīng)的點，即匹配點。測量系統(tǒng)的整體性能依賴于攝像機內(nèi)部參數(shù)和傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的標定精度。有關(guān)攝像機和雙目視覺傳感器的標定技術(shù)已經(jīng)進行了大量研究，并取得了豐富的研究成果。匹配點的獲取也有多種方式，并且有了相應(yīng)的應(yīng)用 。本文針對基于lcd投影和立體視覺測量技術(shù)的特點，研究立體視覺傳感器匹配點獲取技術(shù)。
3.立體視覺傳感器三維掃描儀模型
立體視覺傳感器的測量原理基于立體視差法，傳感器模擬人體的雙眼，由兩臺攝像機組成，利用空間點在兩攝像機像平面上的透 視成像點坐標來求取空間點的三維坐標。要實現(xiàn)測量，立體視覺傳感器必須經(jīng)過標定，即每個攝像機內(nèi)外部參數(shù)的標定和兩臺攝像機之間的位置參數(shù)的標定。
4.匹配點的形成
從立體視覺傳感器的數(shù)學(xué)模型可以看出，要測量一個曲面，必須使曲面上每一個點在兩個攝像機的圖像平面上找到其對應(yīng)的像點，即匹配點。匹配點的查找有點掃描，光柵編碼等方法。點掃描測量圖像處理簡單，但需掃描整個被測物，需輔助掃描系統(tǒng)，速度慢且精度低，但圖像處理簡單，抗干擾性能較好；光柵編碼圖像處理復(fù)雜，抗干擾性能差，匹配精度不高，但測量速度比較快。由于lcd可根據(jù)需要隨時改變圖像，速度快且定位精度高，不需要復(fù)雜的機械機構(gòu)就可實現(xiàn)空間編碼。所以通過lcd投射出多種規(guī)則空間編碼圖案，將被測曲面編碼，然后將多幅圖像從粗到細進行匹配，可獲得很高的匹配精度，這種方法測量速度快，且操作簡單�；�于lcd系統(tǒng)的編碼原理，光學(xué)投影系統(tǒng)將可以將lcd的圖案投射到被測物上，受被測形面調(diào)制成測量圖案。lcd經(jīng)控制系統(tǒng)可以顯示出n次編碼圖案，形成空間n位二進制編碼，則空間上的點可對應(yīng)唯一的n位二進制編碼。如空間p點的編碼為0… ．101(p點在黑圖案區(qū)為編碼1，在白圖案區(qū)為編碼0)。左右攝像機中可根據(jù)這一編碼來確定匹配的空間點。
這樣所找到的匹配點是粗略的(在一個最小的黑塊或白塊內(nèi)的所有點都符合這一編碼)，黑塊或白塊越小，匹配點就越多，精度就越高，由于lcd有一定的分辨率，所以最小的塊并不能夠無限小下去，為了獲得更高匹配精度，進一步采用圖像匹配算法對每一個粗匹配點進行更精確的細匹配這種基于粗編碼匹配后的細灰度匹配有效的減少了匹配算法的計算量，并保持了匹配算法的高精度，在測量中取得了較好的效果。
5.實驗結(jié)果
為了驗證系統(tǒng)的測量精度。實驗采用一標準平面塊，用lcd投影雙目視覺傳感器對其表面進行測量，測量點共680個，測量區(qū)域為40rnm*60mm，測量的分辨率小于0.5mm，所有空間三維點用最小二乘法擬合空間平面，擬合的誤差最大的測量誤差為：0.28ram。