新型光栅投射三维测量系统的基础研究

发布时间：（2013-09-01）

项目名称：新型光栅投射三维测量系统的基础研究

项目类别：省级

所属等级：省级重点项目

所属学院：机械电子工程学院

所属专业：测控技术与仪器

立项时间：2013-09-01

研究时间：2013-07-01 至 2014-07-01

结题验收结果：未结题

项目研究内容简介：

以光栅投射为代表的主动三维传感技术，采用以三角法为基础的系统光学结构，以相位法为基础进行条纹图像处理。基本思想是通过含有相位信息的一幅或多幅条纹来计算相位，再对应计算出物体的高度分布。其主动结构光源为光栅，可以一次性测量整个形面，扩大了测量范围，提高了测量速度。在求解物体初相位的时是点对点运算，避免了物体反射率不均匀引起的误差。因此光栅投射法具有较高的测量精度，较大的使用范围和快速的测量速度。本项目拟采用复合光栅投影，并与相移傅里叶变换相位展开法及时间域相位展开法相结合，通过系统理论分析和实验验证，包括图像采集与处理、CCD标定、系统标定和高度校准等步骤，最终完成新型三维轮廓测量系统的构建。

项目研究成果：

本项目中采用了复合光栅投影，并与相移傅里叶变换相位展开法及时间域相位展开法相结合，构建出两种光栅投影测量方法，通过系统理论分析和实验验证，包括图像采集与处理、CCD标定、系统标定和高度校准等步骤，最终完成新型三维轮廓测量系统的构建。通过研究测定两种方式与传统FTP方式在精度、适用范围及实时性方面的差别，实现光栅投射三维测量系统精度与速度的同步提高。

项目的最终研究成果可以运用于人脸识别防盗系统、工业材料和机械零件表面形状的测量和快速成型。本项目重点研究了该方法在茶叶嫩梢的识别定位上。经过研究，我们开发了一套视觉定位系统。针对茶叶采摘工作面特点设计了交叉投影与摄像光路；基于色彩因子法开展了自然环境下茶叶嫩梢的识别；重点研究了利用光栅投影轮廓术实现茶叶嫩梢高度信息获取。光栅投影轮廓术采用时间相位法获取光栅场的相位，并利用判别机制和形态滤波器去除噪声点，以多项式逼近法计算高度克服非线性误差。

本课题进行了如下实验，首先，模仿自然环境下的茶叶植株，使用人工景观草皮作为测量对象，其主要特点是叶冠蓬面不连续，叶片相互独立，而且叶片之间有较大的高度落差。如图2所示，将光栅条纹漫射其上，CCD获取图像计算其高度，得到三维形貌图像为图2左侧图像。由图2可以看出其三维形貌十分完整，错落有致，完全能够再现人工草皮的实物形状。由此证明新型视觉定位系统能够实现茶树采摘面三维形貌的描绘。为了验证此系统高度测量的精度，在人工草皮上定点植入了一些已知高度点，如图3所示，其投影后的三维形貌如图3左侧图像所示。10个目标点的实际高度与测量高度结果如表1所示。可以看出各点最大误差1mm，而采茶机的执行器高度精度要求为3mm，新型视觉定位系统完全能够满足茶叶采摘的精度要求。

成果图片：

图8 目标点高度测量结果 图7 茶园采摘实验 图6 不连续物体投影结果及其噪声处理结... 图5 早春茶叶及其嫩梢中心点 图4 时间相位展开过程 图3 人工草皮上定点植入已知高度点及其... 图2 人工景观草皮模仿茶叶植株及所得三... 图1 茶叶嫩梢定位系统结构图