逆向工程技术是随着计算机技术的发展和成熟以及数据测量技术的进步而迅速发展起来的一门新兴学科与技术。它的出现,改变了原来CAD系统中从图纸到实物的设计模式,为产品的迅速开发以及快速原型化设计提供了一条新的途径。样件的三维数据获取是逆向工程第一步,从已知的采样数据点出发,才能实现复杂曲面的建模、改进、制造。 本文依托上海市光科技专项课题“先进制造中的光学三维传感与重建系统研制”,以条纹投射测量系统在逆向工程中的应用为着眼点,主要研究复杂面形的光学测量及其相关技术,为逆向工程提供一个高效、高精度的物体面形数据采集方法。 本文选择DLP投影机作为条纹投射设备,CCD摄像机作为条纹图像记录设备,构建了以条纹投射技术为原理的多视角测量系统,并研制出具有自主知识产权的仪器装置和配套测量软件,利用该测量系统实现了复杂面形的三维测量。为实现以上目的,本文对相关技术进行了研究。 1、单视角测量的相位分割技术 本文综合分析了包裹相位的解包裹技术,表明变频条纹投射结合时域相位解包裹技术是解决相位不连续,含有噪声点的相位解包裹最有效的方法。由于零件的几何结构,如不连续台阶、含有孔、洞的曲面等复杂面形,以及条纹投射时局部镜面反射,遮挡造成的阴影,暗背景等情况,单视角测量时部分区域不可测,即该区域测得的数据是不可靠的。为剔除这类无效数据,本文提出了采用基于调制度阈值自动分割技术,和改进的基于调制度——背景共生矩阵模型的最大熵处理方法,通过计算调制度——背景共生矩阵的二维阈值,指导相位分割,自动识别物体轮廓有效测量区域。单视角缺损的一些数据可以通过改变测量视角和曲面拼接技术来恢复。 2、条纹投射系统标定技术 传统的条纹投射测量系统必须满足一定的约束条件,因此存在系统标定可操作性不强,耗时且精度不易保证的问题。本文对测量系统的一般几何设置情况作了详细的推导与分析,提出了一种标定新方法:引入摄像机横向标定技术,采用基于神经网络的修正方法对参考平面的横向坐标进行误差补偿,获得标定参考面图像对应像素的精确横向坐标分布;为此,选用专门设计的标定面板——黑白相间的方形格,亚像素级提取方格顶点为特征控制点,用于摄像机标定;取板上白色方格区域的相位数据对标定板平面的相位分布作最小二乘拟合,获得整个像面的连续理论相位分布,进而得到三维坐标与图像像素的映射关系。该技术使得标定过程大大简化,可同时进行相位——深度标定和横向坐标标定,提高了标定的可操作性和检测精度。 3、基于虚拟圆柱的多视角拼接技术 多视角拼接技术的基本思想是:使相邻子视角部分重叠,利用重叠区域面形信息建立其相对空间位置关系,据此利用坐标变换将多视角面形统一于同一坐标系下。圆柱坐标下多孔径扫描拼接技术的迭代算法,解决了三维物体特别是回转物体面形的拼接测量,其关键在于坐标变换方程的线性简化,以及误差求解与坐标变换的迭代操作,保证了误差求解的精确性。然而,圆柱坐标下的多孔径扫描拼接方法针对复杂面形,例如凹面形状,由多个曲面片构成的非G~1连续曲面等面形的拼接测量遇到了困难。为了突破以上限制,本文提出了基于虚拟圆柱的拼接方法。根据被测面形不同视角的重叠区的几何特征,构造虚拟圆柱,使得其局部面形的近似回转轴与虚拟圆柱的轴线重合,将原圆柱坐标系平移到一个新的位置——移动后的z轴与虚拟圆柱的轴线重合,于是圆柱坐标下的多视角拼接算法在这