结构光投影三维测量控制系统开发

　　光学三维测量由于其非接触、速度快、高分辨率、高精度等优点，目前已经受到广泛重视。在基于格雷码[1]和相移[2]技术的面结构光投影三维测量设备中，控制系统是其主要组成部分。本研究所开发的测量设备采用特定的物理光栅投影方式，对传动部分的精度和速度有较高要求。所以，有必要开发一套针对此类测量设备的稳定可靠的控制系统。

　　可编程逻辑控制器PLC作为新一代的工业控制器，有着编程方便、体积小巧、可靠性高、抗干扰能力强等优点。本文就采用 PC 机作为上位机，PLC作为下位机，在基于 Visual C + + 6.0 的串口通信方式下，完成对结构光投影三维测量设备控制系统的开发。

　　1 测量原理与硬件组成

　　1.1 测量原理

　　如图 1 所示，结构光三维测量原理基于三角方法[1]。OC和 OP分别指 CCD 和投影仪的光心，两光心的距离为 d。OCOP称为基线，与参考平面 R 平行，R 即参考坐标系统(X，Y，Z)的 X-Y 平面，OP到 R的距离为L。参考坐标系统的Z轴与投影仪光轴OPO平行，表征了被测物的高度信息。当被测物置于参考坐标系统时，投影射线 OPA 经被测物上一点 H 沿HO方向成像于 CCD 相机的像素 E(i，j)。没有被测物体时，投影射线 OPB 经参考平面上的 B 点沿BOC方向亦成像于 E(i，j)。由于三角形 AHB 与三角形 OPHOC相似，设 z(x，y)表示 H(x，y)点的高度 HH’，则有

　　式中 d=OCOP，L 是基线 OCOP到参考面 R 的距离，SR=AB 表示投影射线在参考面上的偏移量。当SR 可求时，即可得到 H 点的高度值。具体方法是对投影光线进行编码，这样就可以跟踪射线 OPA 和OPB，从而获得偏移量 SR的值。本研究采用的是格雷码和相位相结合的编码方法，具有分辨率高，能同时获得突变信息和细节信息的优点。

　　格雷码是一种二进制编码，其相邻的码词间只有一位不同。测量时 n 幅光栅图像 r0， ... ，rn-1依序由摄像机记录下来，像素灰度再根据适当的阈值二值化为逻辑值 0 或 1，所有 r0， ... ，rn-1的采集最终形成一个 n 比特的格雷码矩阵(GCM)。格雷码的每个码词可确定一个投影方向，n幅不同频率投影条纹可编码 2n个投影方向。这样，每个投影方向就和测量表面上的点建立了一一对应的关系。相位编码一般是投影 4 幅正弦光栅到被测物体上，每幅偏移 1/4 周期。每个像素得到一个光强值( , )( 0,1,2,3)iI j k i = ， 则 该 像 素 的 原 理 相 位 值 Φ ( j ,k)通过下式计算得到

　　当格雷码的阶次与相移周期一致时，可实现投影光线的空间连续编码，其编码的绝对相位值由下式得到：