经过对相关文献的查阅和整理，可以得到以下分析和总结：
常用的3D扫描方法有飞行时间法、立体视觉法[1][2]、激光三角法和结构光测量法[3][4]等。 飞行时间法通过直接测量光传播的时间，确定物体的面型。光源发射脉冲信号，镜头接受反射回的光，计算距离。该方法原理简单，可避免阴影和遮挡问题，而且测量仪器十分便携。但是飞行时间法的精度较差，只能达到毫米级到厘米级，无法满足微电子制造业的检测要求。 立体视觉法是目前市面上大多数手持式3D扫描仪的采用的扫描方法。通过两个摄像头模仿生物眼球，从不同角度获得多幅图像，并据此来收集被测物品的三维几何信息。原理简单，对物品材质颜色以及背景光等环境因素要求较低，特别在大型测量中起到了不可替代的作用。但是立体视觉法要求提前设定目标，当环境条件发生变化时，相机参数需要进行重新调节，动态测量能力较差。 激光三角法是使用激光线光源将线型激光投射到待测物体表面，然后在一侧逐步进行一维的扫描，从而获得整个物体的深度信息。每次投射器投射一条光线到物体上，摄像机对带有光条纹的物体成像，图像上的光线特征恰恰对应投射器的光线。根据三角测量原理，可确定落在物体上光线的深度信息。精度较高，且不受物体表面纹理的影响。但是单帧内获得的信息有限，且需要进行逐步地进行一维移动，效率低下。 图 1激光三角法原理图 结构光测量法是一种主动的三角三维测量技术。由光源投射可控制的结构点光或结构条纹光，使光在物体表面形成特征点和线，并由成像系统捕获图像，得到特征点的投射角，然后根据标定出的空间方向、位置参数，利用三角法测量原理计算特征点与摄像机镜头主点之间的距离。结构光测量法精度较高，可以达到毫米级到微米级，在测量过程中不易受到环境光的影响，也不会受到被测物品表面材料反射率的影响，而且通过结构光形成的莫尔条纹，我们可以获得不便于观测的物品细节3D特征。 综上所述，为了提高3D扫描的精度，在测量方法上选择使用结构光测量法对被测样品进行观测。
根据调研后决定采用结构光作为3D扫描的光源并阅读了结构光的相关文献，特别是与结构光照明显微镜相关的文献。 张观锦[5]等人介绍了基于结构光的微小特征三维测量系统。得益于DLP（Digital Light Processing）技术的快速发展以及各种相移算法的出现，使用结构光测量技术能够进行高分辨率、高精度和高速度的三维测量。在他的文章中，提出了两种适应突变微小特征的相移算法，分别是单波长相移算法和多波长相移算法。单波长相移算法是通过收集相位是周期为2pi;呈锯齿状的包裹相位图，并对包裹相位图进行相位解包裹，由此得到真实相位。而为了应对不确定表面的情景，尤其是有突变表面的物品，可以采用多波长相移算法。通过点对点的计算相位，只有最短波长的那部分条纹用来计算最终的相位，其他比最短波长更长的波长条纹只用作参考，它们的噪声不会影响到最短波长条纹的相位计算，因而多波长相移算法能适应高度突变、形貌不连续等特征的三维测量。 陈延爱[6]等人对结构光照明超分辨光学显微成像技术进行了展望。结构光照明显微镜通过结构化照明在频域以空间混频的方式将物体高频信息载入光学系统的探测通带内，实现突破衍射极限的超分辨光学显微成像。文章除了介绍SIM的基本原理和实现方法之外，还介绍了基于光谱分辨的单光子激发超分辨显微镜和结合自适应光学的双光子激发超分辨显微镜这两种最新的SIM技术。最后简要讨论了SIM技术在生物成像中的应用和未来发展方向。 林静[7]等人设计一套基于结构光的简易3D激光扫描仪的系统。利用实验桌角的正交性，将贴有标志点的纸张贴到桌角作为标准点，通过使用手持线激光发生器对被测物品由上到下进行扫描，在扫描的同时使用摄像头对此过程进行拍摄，pc机与摄像机相连，使用软件对图像进行同步处理，构建曲面点云，重构被测物品细节特征。 朱琳[8]在基于结构光照明的空间新型显微成像技术研究中从光学和电子学两个角度介绍了结构光成像技术。同时在基于结构光的显微成像重构算法上，提出一种针对噪声进行改进的多位相图像重构技术，在频域信息叠加的最后一步，由于重构结果都是在空域中显示，所以通过在合并后的信息的基础上进行了一次逆傅立叶变换，实现了分辨率的提高。与此同时，还对整个系统进行仿真实验，验证传统三位相图像重构技术对成像分辨率的提高作用和改进算法抑制噪声、提高系统稳定性的效果。 李慧[9]在基于结构光的实时三维显微测量技术研究及实现中搭建了一套以体现显微镜为主体的实时三维显微测量系统，并且针对这套系统提出了相应的标定方法，得到了相位和深度之间的映射关系。同时利用所搭建的实时三维显微系统对两组静态微小物体和一组动态微小物体进行了测量实验，实验结果表明其对复杂面形的微小物体以及动态的微小场景都可以进行良好的三维形貌重构，系统在深度方向的测量精度达5.9微米，三维重建速率为80Hz。
结构光测量方法主要目的是通过对接收到的被测物品的莫尔条纹进行反变换，获得照射在被测物品表面的结构光的相位，并以此来计算物品的深度信息。选择合适的方法来获取相位信息，并以此为基础来重建物品细节特征是本毕业设计的重点。 |
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整个3D扫描系统可以分为硬件环境设计和重构算法设计两部分，分别对两部分进行独立构建和选择。
根据如图2所示的基于结构光的三维测量系统原理，整个硬件光路系统包括结构光的产生和反射光接收系统二个部分。 图 2基于结构光的三维测量系统原理图 在结构光的构建方面，整个根据如图3所示的结构光的光路系统中，其光源现可以选用投影仪或激光光源。投影仪是最简单的可见光光源，然而由于投影仪的投射光强有限，而且容易受到环境光的影响。为了解决这个问题，拟采用激光发生器作为结构光光源，并通过使用光栅将激光分为条形结构光，通过透镜投射到待测物品上。 反射光采集，如图3所示，反射光通过透镜和分术器后，由摄像机对图像进行采集。在相机镜头之前需要设置适配器透镜来减少镜头畸变。 图 3结构光光路图 图像采集模块所采用的相机为德国Basler公司生产的型号为acA640-750mu;m的CMOS相机，其分辨率可达640X480像素，帧率为751fps，可以通过USB接口直接与计算机相连。 除了光路设计之外，还需要使用步进电机对样品扫描平台进行控制设计，使样品扫描速度和相机帧数匹配，减小测量误差。
通过对结构光3D扫描技术的调研，决定采取三种不同的相位提取算法方法对被测物品进行重构，获得细节特征。 方法一：相移法 由于除了可以接收到的灰度值可以作为已知数外，平均场强、调制光强和相位值皆为未知数，这意味着至少需要使用3个方程才可以求解出这三个未知数。而相移法的原理就是利用具有固定相移的正弦条纹图来构建足够的方程，从而求解出相位值。 图 4三步相移法所投射条纹图 其中，每相邻的两幅正弦条纹的相移为2pi;/3，其光强分布可以表示为： 通过求解，就可以得到相位、平均光强和调制光强这三个未知数： 上述计算方法是以三步相移法为例。如果对N幅具有固定相移的正弦条纹图来求解相位的方法称之N步相移算法。Ｎ步相移算法每次将正弦条纹图像的相位移动2pi;/N，得到一个新的光强分布图像，其光强分布可以表示为： 通过计算可以得到相位值： 标准N步相移算法中相移步数越多，所求解得到的相位也会越精确，但是需要的投影的正弦条纹幅数也会越多，这意味着会花费更多的测量时间，也意味着将使测量结果对运动更加敏感，显然这对于动态三维场景的测量是非常不利的，这也是相移法最大的缺点。 方法二：傅立叶变换法 傅里叶变换法由M.takeda[10]和C Munzer [11]首次提出，相比于相移法，其最大的特点在于仅仅需要一幅正弦条纹图就可以计算出物体的相位信息，这对于运动场景的三维测量无疑是非常有利的，因此其非常适合应用于动态场景的三维测量领域。 正弦条纹投影到被测物体得到的变形正弦条纹可以表示为： 通过傅立叶变换将其变为指数形式： 在chi;方向的一维傅立叶频谱可以表示为： 利用带通滤波器将基频分量滤出，然后对其进行逆傅里叶变换，再进行取幅角运算即可得到相位。 虽然傅里叶变换法因其高测量效率在对于动态场景的三维形貌测量上有着绝对优势，但是其存在着两个问题：1、当被测物体存在锐变边缘、不连续表面以及反射率变化剧烈等情况时，会出现严重的频谱混叠，使得通过带通滤波器无法正确分离出基频分量，从而导致得到的相位存在错误；2、为了保证傅里叶变换法的测量精度，往往需要投影出高频率的正弦条纹，这会引起下一步相位展开的不稳定性。这两个问题都会使最后三维测量结果的精度受到影响，因此傅里叶变换法难以应用于高精度的三维测量领域。 方法三：使用DLP（Digital Light Processing）模块[12][13]进行测量
图 5DLP LightCrafter 3000实物图 DLP LightCrafter 3000是德州仪器针对医疗、工业以及科学研究中投射光的应用需求而推出的紧凑型评估模块，其采用了DLP0.3WVGA芯片组，能够提供多种模式的嵌入式功能，被广泛应用于结构光投影中。 DLP LightCrafter 3000通过自带的电源口提供供电，通过USB连接线与计算机相连，连接之后，可以通过其附带的GUI程序[14]方便地将事先生成好的条纹图下载到DLPC3000数字控制器中，并且可以对投影图像的触发周期时间、曝光周期时间、投影亮度等参数进行设置以及控制条纹图形投影的开始和停止。 图 6DLP LightCrafter 3000 GUI界面 方法一采用的是相移法，随着相位步数的增加，需要的条纹图数目也越多，计算量也进一步的增加，精度进一步提高，但是由于计算量的增加，扫描速度大大降低，无法做到实时扫描；而方法二傅立叶变换法只需要根据单幅条纹图就可以计算出相位信息，计算量低，计算方法简单，且计算速度快，不用考虑扫描速度与扫描速度的匹配问题。方法一与方法二都可以使用摄像头对条纹图进行接收。方法三的DLP模块具有完备的图像接收和处理软件，但是成本较高。 综上所述，本设计计划以方法二傅立叶变换法作为第一方案，虽然与相移法相比，精度较低，但是其扫描速度快，计算方法简单，易于实现还原被测物品细节。如果在进一步的实行过程中，无法满足精度要求，可以转为使用相移法作为第二方案，从而达到提高3D扫描精度的要求。如果第一方案和第二方案都无法成功，则选用DLP数字光处理模块作为最终方案。 除了以上提到的三种重构方案之外，还有一种基于背景归一化的傅立叶变换法[15]，该方法在投影正弦条纹图的间隔中还向被测场景投影一幅全白图，利用这幅全白图可以去除频域中零频率和被测物体反射率部分的影响，从而有效解决传统傅立叶变化方法中的频谱混叠问题，提高测量精度。但是基于背景归一化的傅立叶变换法的算法十分复杂，不适合现阶段使用，因此只作为一种参考方案。 |
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参考文献 [1] 王茹．古建筑数字化及三维建模关键技术研究[D]. 西安:西北大学,2010,06． [2] 唐甜甜.激光3D视觉系统高效扫描光学系统的设计与实现[D]:[硕士学位论文]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2013 [3] 王晓南,郑顺义.基于激光扫描和高分辨率影像的文物三维重建［J］． 测绘工程,2009,18(6):53-57． [4] M POTMESIL. Generating Models of Solid Objects by Matching 3D Surface Segments: Proceedings 8th International Joint Conference Artificial Intelligence [C]. Karlsruhe, 1983:1089-1093． [5] 张观锦,高健,林辉.基于结构光的微小特征三维测量系统[J].组合机床与自动化加工技术,2018,(9):72-75,80. DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2018.09.020. [6] 陈廷爱,陈龙超,李慧, 等.结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望[J].中国光学,2018,11(3):307-328. DOI:10.3788/CO.20181103.0307. [7] 林静,汤汶,万韬阮. 基于结构光的3D激光扫描仪系统研究[J].微处理机,2013,34(2):78-80. DOI:10.3969/j.issn.1002-2279.2013.02.022. [8] 朱琳,基于结构光照明的空间新型显微成像技术研究[D].[硕士学位论文].上海.中科院上海技术物理研究所,2017 [9] 李慧,基于结构光的实时三维显微测量技术研究及实现[D].[硕士学位论文].南京.南京理工大学，2017 [10] Ina H, Takeda M. Kobayashi S. Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry[J]. Review of Scientific Instruments,2015,72(12):156-160. [11] Apedo K L, Munzer C, He H, et al. Cement paste surface roughness analysis using coherence scanning interferometry and confocal microscopy[J]. Materials Characterization,2015,100:108-119． [12] Jia Xing Ma. Application of PLC in the DC Vertical Lathe Spindle Control[J]. Applied Mechanics and Materials,2014,687-691:480-483. [13] J WENG, P COHEN, M HCRNIOU. Calibration of Stereo Cameras Using a Nonlinear Distortion Model. Proceedings International Conference on Pattern Recognition, 1990:246-253． [14] Belkadi A, Oulhadj H, Touati Y,et al. On the robust PID adaptive controller for exoskeletons:A particle swarm optimization based approach[J]. Applied Soft Computing,2017, DOI:10.1016/j.asoc.2017.06.012. [15] TSAI R. A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3D Machine vision metrology using off-shelf TV cameras and lenses. IEEE Journal of Robot-ics and Automation.1987, 3(4):323-344． |
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资料编号：[179533]
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