● 摘要
随着现代加工制造和生产作业的发展，高精度光学三维形貌测量技术以其非接触、动态响应快、系统柔性好等特点受到国内外高度重视，而小尺寸三维形貌测量已成为该领域发展的热点和难点，其主要困难集中于：1、整体系统体积的小型化尤其是测量探头的小型化；2、测量结果易受环境噪声影响；3、测量视角易受到受限空间的约束。基于以上要求，迫切需要研发设计小型三维测量系统及其测量方法。论文围绕国家自然科学基金项目——“小型数字结构光视觉传感器研究”，针对小型物体形貌的三维测量与重构技术，设计了微小形貌结构光三维测量系统的构架与集成方案，研究了结构光三维测量方法和基于投影标志点的三维拼接技术，并进行了实际实验。论文的主要内容包括：1、综述了三维形貌视觉测量方法以及三维形貌拼接方法，分析了国内外微小形貌测量技术的研究现状。研究了三维形貌的测量方法，并详细分析了相移测量法中的四步相移算法和相位展开算法。研究了微小形貌三维测量系统的深度信息标定方法和基于双目模型的标定方法。2、对适用于受限空间的微小形貌三维测量系统提出了改进方案，设计了整体系统的集成结构方案以及系统固定装置和位置调整装置，改进了小型结构光视觉传感器的投影光路。3、研究了基于时间相位展开算法的微小形貌测量系统整体测量方案，提出了针对光纤传像束网格效应和投影仪gamma曲线的误差补偿方案，并证明了时间相位展开算法中的误差主要由投影仪gamma曲线误差造成。研究了基于投影标志点的三维数据拼接方法，设计了投影标志点的提取方案，研究了两视间转换矩阵和平移向量的求取算法。4、分别对标准量块和微型三维工件进行了实际测量实验，分析了影响测量系统精度的原因；针对三维数据拼接算法中投影标志点的位置和抗噪声能力进行了仿真实验，并基于双目测量系统进行了实际数据拼接实验。 论文所研究的微小形貌三维视觉测量与重构技术，为实现受限空间内微小型物体的三维形貌测量与重构提供了一种有效途径。