摘要
条纹投影测量技术具有非接触、测量速度快、精度高、测量范围大、鲁棒性强等优势，在工业制造业、机械臂作业、医疗健康、文物数字化保护等领域得到广泛应用。然而，当测量反射率较大的表面时，会出现高反光现象，造成条纹信息被淹没，从而导致相位信息无法正常提取，使得三维重建产生较大误差。因此，面对高反光物体的三维形貌测量是条纹投影测量技术应用的一个难题，具有重要的研究意义和理论价值。 本文旨在搭建一套高精度的高反光物体三维形貌测量系统，重点对投影仪标定方法和高反光物体测量方法展开研究。主要工作内容如下： (1)通过分析坐标映射误差的来源，提出了一种基于灰度映射的投影仪标定方法，实现投影仪的高精度标定。所提方法实现了CCD到DMD的带有灰度分布的亚像素坐标映射。映射后的DMD亚像素和对应的灰度数值被看作是一组三维数据。利用PCA算法对其做平面拟合。高于拟合平面之上的数据点被分割出来，并投影到拟合平面上，形成2D数据。接着利用凸包法构造获取2D数据的凸包，完成椭圆特征边界提取。最后通过最小二乘拟合算法即可提取出椭圆中心像素坐标，为投影仪标定提供高精度的特征点。此外，引入了物方空间误差用于评价投影仪标定精度。通过对比实验验证了所提方法的性能； (2)根据条纹投影三维测量系统的成像特性，提出一种分块平滑自适应条纹投影方法，实现高反光物体表面的完整可靠测量。该方法只需投影少量图像，加入分块策略即可计算出初始投影强度，然后从相位扩张剔除和融合补偿两方面提高饱和区域坐标映射的精度，最后利用多项式拟合关系式对初始投影强度进行平滑优化，同步完成对孔洞点做有效填补，从而编码出能够完全抑制住反光区域的自适应条纹图案； (3)搭建了一套基于条纹投影的高反光物体三维形貌测量系统。通过对表面具有不同反射率和曲率的高反光物体进行三维测量，以验证搭建系统的实用性。通过与现有方法的实验结果作比较，验证了本文方法的有效性。从实验结果可知，所提的基于灰度映射的投影仪标定方法对比其它方法，平均重投影误差分别降低了76.4%、45.3%和28.1%，整套系统测量精度为0.059mm。所提的分块平滑自适应条纹投影方法只需投影少量图案就能实现对高反光物体的三维形貌测量，其测量误差分别降低了40%和28.6%，能够证明本文方法对饱和区域具有更好的重建效果。
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