陳松林，夏仁波，趙吉賓，胡茂邦，夏中原

(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 裝備制造技術(shù)研究室，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

光柵投影測量中結(jié)果可視化顯示方法*

陳松林1,2，夏仁波1，趙吉賓1，胡茂邦1,2，夏中原1,2

(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 裝備制造技術(shù)研究室，沈陽 110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

光柵投影測量技術(shù)作為一種重要的三維測量方法，已在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是均存在測量結(jié)果顯示不夠直觀的問題。針對這個問題，提出了一種直接利用光柵投影測量系統(tǒng)中的投影儀將測量結(jié)果投影到被測件表面的可視化顯示方法，通過對投影儀內(nèi)參數(shù)及其與相機位置關(guān)系的標(biāo)定，可實現(xiàn)投影的測量結(jié)果直接和檢測區(qū)域相對應(yīng)，因此可大大提高可視化顯示的直觀性。針對該方法中的核心問題——投影儀標(biāo)定問題，提出了一種簡便的標(biāo)定方法，可快速完成投影儀參數(shù)及其位置關(guān)系的標(biāo)定。實驗結(jié)果表明，所提標(biāo)定方法簡單有效，標(biāo)定的平均反投影誤差是0.63像素，具有較高的標(biāo)定精度，采用該標(biāo)定結(jié)果可準(zhǔn)確將測量結(jié)果投影顯示到被測區(qū)域，滿足可視化顯示的要求。

光柵投影測量；可視化顯示；投影儀標(biāo)定

0 引言

光柵投影測量是一種重要的三維測量方法，具有非接觸、低成本和高精度等優(yōu)點，已在工業(yè)檢測、逆向工程、生物醫(yī)學(xué)、虛擬現(xiàn)實等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1-3]。在所有這些應(yīng)用中,檢測結(jié)果的快速可視化是一項非常重要的步驟。通常情況下，測量儀器將檢測結(jié)果直接顯示在相連的顯示器上，在被測件比較大的情況下，如果操作員需要去標(biāo)記出缺陷區(qū)域，那么就必須在屏幕和被測件之間反復(fù)來回確認(rèn)，這將是非常耗時的，并且可能會出錯，導(dǎo)致工作效率低下。另外在被測件表面存在許多相似的特征的情況下(例如檢測飛機表面鉚釘?shù)娜毕?，要將屏幕顯示的檢測結(jié)果與被測件缺陷區(qū)域?qū)?yīng)起來，將會是非常困難的。針對這些問題，結(jié)合光柵投影測量技術(shù)所采用的硬件設(shè)備，提出一種將檢測結(jié)果直接投影到被測件表面的可視化顯示方法，并且投影的檢測結(jié)果直接和缺陷區(qū)域相對應(yīng)，避免了操作員需要反復(fù)確認(rèn)的問題，并且結(jié)果直觀，可大大提高工作效率。該方法的核心是投影儀的標(biāo)定問題，因此，需要對投影儀的標(biāo)定方法進(jìn)行深入研究。

通常情況下，投影儀可看作是“逆向”的相機，借助相機的標(biāo)定原理來完成投影儀的標(biāo)定，但是由于投影儀無法“看到”空間標(biāo)定點，因此，其標(biāo)定的難點在于怎樣獲取物平面二維圖像坐標(biāo)和對應(yīng)的空間點三維世界坐標(biāo)[4]。國內(nèi)外許多學(xué)者對投影儀標(biāo)定方法進(jìn)行了廣泛的研究，這些方法主要可分為兩大類，一類是已知空間點三維世界坐標(biāo)，求取物平面二維坐標(biāo)然后進(jìn)行標(biāo)定，這類方法的代表是相位法[5-7]。但是該方法的精度易受投影與采集設(shè)備的非線性響應(yīng)的影響[4,8-10]，因此，在標(biāo)定投影儀之前，需要先對投影儀與相機的非線性響應(yīng)進(jìn)行校正，這無疑增加了相位法進(jìn)行投影儀標(biāo)定的復(fù)雜度。另一類投影儀標(biāo)定方法是已知物平面二維坐標(biāo)，通過求取三維世界點坐標(biāo)，進(jìn)行標(biāo)定。這類方法主要包括交比不變法[11]和反向投影法[4,12-14]。交比不變法通過投影儀向標(biāo)定板投影預(yù)先設(shè)計好的標(biāo)定圖案，然后根據(jù)交比不變性估算出特征點的三維世界點坐標(biāo)，然后進(jìn)行標(biāo)定，但是由于相機和投影儀鏡頭存在制造誤差，導(dǎo)致得到的圖像存在畸變，因此，該方法標(biāo)定的精度較低。反向投影法與交比不變法類似，亦是通過投影儀向標(biāo)定板投影預(yù)先設(shè)計好的標(biāo)定圖案，但是對于三維點的求取方法不同，反向投影法通過標(biāo)定后的相機求取特征點的三維世界點坐標(biāo)，由于考慮了相機的畸變，因此求取的三維世界點坐標(biāo)精度較高，因此，標(biāo)定精度比交比不變法高。但是，由于該方法需要將標(biāo)定圖案投射到標(biāo)定板上，因此，需要對相機標(biāo)定和投影儀標(biāo)定的圖案進(jìn)行區(qū)分?，F(xiàn)階段，多通過設(shè)計不同形狀的標(biāo)定圖案，或者將投影儀標(biāo)定圖案投射到遠(yuǎn)離相機標(biāo)定圖案的區(qū)域，或者設(shè)計不同顏色的標(biāo)定圖案來將兩種標(biāo)定圖案區(qū)分開來，所有這些方法，均需要重新打印與粘貼相機標(biāo)定圖案，因此，打印與粘貼的精度會對投影儀的標(biāo)定精度造成影響。在工程應(yīng)用中，相機的標(biāo)定多使用高精度的商業(yè)標(biāo)定板，其在制作完成后，表面的標(biāo)定圖案不能再改變，也不允許在其上粘貼標(biāo)定圖案，因此，無法直接采用上述方法對投影儀進(jìn)行標(biāo)定。針對這個問題，基于反向投影法，提出一種直接利用高精度的商業(yè)標(biāo)定板進(jìn)行投影儀參數(shù)標(biāo)定的方法，該方法不受標(biāo)定板上相機標(biāo)定圖案的影響，因此，具有極強的適應(yīng)性。

1 可視化顯示原理

本文中所采用的光柵投影測量系統(tǒng)如圖1所示，由兩個CCD相機和一個DLP投影儀構(gòu)成，測量時通過投影儀向被測件投影一系列光柵圖案，然后相機拍攝進(jìn)行相位求解，將求得的相位作為立體匹配的一個特征量，利用雙目立體視覺的方法來求取物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，然后對點云數(shù)據(jù)中感興趣的特征區(qū)域進(jìn)行分析，來得到所需要測量的信息。

為了直觀地顯示測量結(jié)果，提高檢測效率，可將檢測結(jié)果通過投影儀直接投影到被測件表面，并且投影信息直接顯示在檢測區(qū)域附近。如圖1中需要檢測鉚釘相對于表面的高低差，檢測完成后本文在鉚釘表面投射不同的顏色來區(qū)別其相對于表面高低差的大小，其中紅色表示高低差嚴(yán)重超出范圍，藍(lán)色表示稍微超出誤差范圍，但是仍在容忍的范圍之內(nèi)，綠色表示高低差符合要求，在每一個鉚釘區(qū)域附近，亦投影出了其實際的高低差數(shù)值。通過這種方法，非常直觀地將測量結(jié)果顯示了出來，與直接在顯示器上顯示測量結(jié)果的方法相比，優(yōu)點非常明顯。

本方法中的關(guān)鍵是如何將檢測信息準(zhǔn)確地投影到檢測區(qū)域，例如將圖1中左上角鉚釘?shù)臋z測信息投影到左上角鉚釘上，而不是投影到其它區(qū)域。為了闡述可視化顯示的原理，以被測件上的點p進(jìn)行分析，其在左右相機圖像中的投影點分別為pl和pr，根據(jù)雙目標(biāo)定信息，可以求出其在左相機坐標(biāo)系下的三維點坐標(biāo)。將投影儀看作一個逆向的相機，在投影儀上建立與相機坐標(biāo)系類似的投影儀坐標(biāo)系，若已知投影儀坐標(biāo)系與左相機坐標(biāo)系之間的位置關(guān)系，則可將點p在左相機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到投影儀坐標(biāo)系下，根據(jù)投影儀標(biāo)定的內(nèi)參數(shù)信息，可以求出該點在投影儀圖像平面的投影點pp。如果在pp點設(shè)置投影信息，則該信息將會被投影儀投射到被測件上的p點。若已知被測區(qū)域的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)上述步驟，求出這些點云數(shù)據(jù)在投影儀圖像中的投影坐標(biāo)，在這些坐標(biāo)處設(shè)置該區(qū)域的分析信息，則該信息將會被投射到相對應(yīng)的檢測區(qū)域，從而完成檢測信息的可視化顯示過程。在這個過程中，未知量是投影儀內(nèi)參數(shù)及其與左相機坐標(biāo)系的位置關(guān)系，因此，投影儀參數(shù)的標(biāo)定是本方法的核心問題。

圖1 光柵投影測量系統(tǒng)及可視化顯示原理

2 投影儀標(biāo)定

2.1 投影儀標(biāo)定原理

將投影儀看作一個逆向的相機，其數(shù)學(xué)模型與相機模型類似，如式(1)所示：

(1)

(2)

A為投影儀的內(nèi)參數(shù)矩陣，R′為3×3的正交矩陣，t′為3×1的平移矩陣，R′與t′表征了空間坐標(biāo)系與投影儀坐標(biāo)系之間的變換關(guān)系。由于投影儀鏡頭加工存在誤差，導(dǎo)致實際投影過程中會存在畸變，因此，投影儀內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定，即是對A矩陣中ax,ay,u0,v0和其畸變系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

如引言所述，投影儀標(biāo)定的難點在于怎樣獲取物平面二維圖像坐標(biāo)和對應(yīng)的空間點三維世界坐標(biāo)?；诜聪蛲队胺ǖ幕舅枷耄⒘巳鐖D2所示的投影儀標(biāo)定系統(tǒng)，首先，通過投影儀向標(biāo)定板投射預(yù)先設(shè)計好的標(biāo)定圖案(標(biāo)定板上紅色圓點為投影圖案，黑色圓點為標(biāo)定板原始圖案)，即標(biāo)定圖案的物平面坐標(biāo)是已知的，則標(biāo)定的重點就在于如何求取投影標(biāo)定圖案的三維空間點坐標(biāo)。在投影圖案時，同時控制相機對標(biāo)定板進(jìn)行拍攝，通過圖像處理分離出標(biāo)定板原始圖案和投影圖案，在標(biāo)定板上建立如圖2所示的世界坐標(biāo)系OXwYwZw，并結(jié)合相機預(yù)標(biāo)定內(nèi)參數(shù)求出相機坐標(biāo)系OXcYcZc與世界坐標(biāo)系OXwYwZw之間的轉(zhuǎn)換矩陣。然后從相機圖像中提取出投影圖案特征點，根據(jù)相機數(shù)學(xué)模型和標(biāo)定板平面性約束，可求得標(biāo)定板上投影圖案特征點在世界坐標(biāo)系OXwYwZw下的三維坐標(biāo)。至此，投影儀標(biāo)定所需要的物平面坐標(biāo)和對應(yīng)的空間點三維坐標(biāo)均已求出，利用張正友標(biāo)定法[15]，可對投影儀內(nèi)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。在標(biāo)定出投影儀內(nèi)參數(shù)后，根據(jù)相機坐標(biāo)系OXcYcZc、投影儀坐標(biāo)系OXpYpZp與世界坐標(biāo)系OXwYwZw之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，可求得投影儀坐標(biāo)系OXpYpZp與相機坐標(biāo)系OXcYcZc之間的轉(zhuǎn)換矩陣。

圖2 投影儀標(biāo)定原理

2.2 投影儀標(biāo)定步驟

由于需要對相機和投影儀位置進(jìn)行標(biāo)定，因此，文中所使用的標(biāo)定板為雙目標(biāo)定板，如圖3所示，兩標(biāo)定圓之間的橫縱距離相同，與傳統(tǒng)的單目標(biāo)定板不同，雙目標(biāo)定板中的標(biāo)志圓是有序的，其順序通過標(biāo)定板中央的5個大圓決定。在標(biāo)定過程中，始終在標(biāo)定板上建立如圖3所示的世界坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點為左上角標(biāo)志圓的圓心，xy平面和標(biāo)定板平面重合，z軸垂直于標(biāo)定板平面，若兩標(biāo)定圓之間的實際距離為drel，則可將任一圓的圓心在該世界坐標(biāo)系中表示出來并且所有z坐標(biāo)值均為0。投影儀投影出來的標(biāo)定圖案與圖3所示相同。

圖3 雙目標(biāo)定板

投影儀標(biāo)定的具體步驟如下所示：

(1) 拍攝

由于投影的標(biāo)定圖案與原始標(biāo)定板圖案相同，因此，為了將投影圖案與標(biāo)定板圖案區(qū)分開，采用連續(xù)快速拍攝兩幅標(biāo)定板圖像的方法，其中，拍攝第一幅圖像的時候，投影儀不投射任何畫面，拍攝第二幅圖像的時候，投影儀向標(biāo)定板投射標(biāo)定圖案。在拍攝過程中，要求標(biāo)定板保持靜止不動。拍攝出的圖像如圖4所示，其中第一幅圖像用i1表示，第二幅圖像用i2表示。

(a)第一幅圖像(i1) (b)第二幅圖像(i2)圖4 拍攝的圖像

(2) 分離標(biāo)定板圖案并進(jìn)行橢圓提取

由于拍攝過程中標(biāo)定板靜止不動，則i2-i1即為投影出來的標(biāo)定板圖案，用ip表示，如圖5a所示，從圖中可以看出，分離出來的標(biāo)定板圖案不受原始標(biāo)定板圖案的影響，因此，具有較強的魯棒性。然后采用橢圓提取的方法，從ip中提取出橢圓，提取結(jié)果如圖5b中紅色部分所示。

(a)標(biāo)定板圖案(ip) (b)提取出的橢圓 圖5 分離出的標(biāo)定板圖像

(3) 確定左相機相對于世界坐標(biāo)系的外部參數(shù)

在標(biāo)定板上建立如圖3所示的世界坐標(biāo)系，對i1中的橢圓進(jìn)行提取，得到其橢圓圓心圖像坐標(biāo)，并計算標(biāo)定板上標(biāo)志圓圓心在世界坐標(biāo)系中的世界坐標(biāo)，根據(jù)相機標(biāo)定的內(nèi)參數(shù)與畸變系數(shù)，按照文獻(xiàn)[15]中的方法，可求出此時世界坐標(biāo)系相對于相機坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣。

(4) 計算標(biāo)定板平面在相機圖像中的范圍并去除不在范圍內(nèi)的橢圓

從圖4b中可以看出，投影儀投影出的圖案不一定會完全落在標(biāo)定板平面上，如果采用不在標(biāo)定板平面上的點進(jìn)行標(biāo)定，將不再滿足張正友標(biāo)定法中平面性約束，標(biāo)定出的結(jié)果將是錯誤的，因此，必須將不在標(biāo)定板平面上的投影圓剔除。為了剔除這些投影圓，必須確定出標(biāo)定板平面在相機圖像中的范圍，這可通過將標(biāo)定板上四個邊界圓(左上、左下、右上和右下)圓心投影到相機圖像平面確定。由于相機的內(nèi)參數(shù)已知，外參數(shù)已在上一步中求出，因此，根據(jù)式(1)，可求出四個邊界圓圓心在相機圖像中投影的坐標(biāo)點，將這四個坐標(biāo)點依次連接，則圍成的四邊形內(nèi)部即為有效的標(biāo)定板平面，不在該四邊形內(nèi)部的橢圓即視為不在標(biāo)定平面上，予以剔除。由于實際標(biāo)定板平面比四個邊界圓所圍成的區(qū)域大，為了充分利用標(biāo)定板平面，可將四個邊界圓圓心坐標(biāo)稍微向外擴展一點，本文中，將標(biāo)定板平面上的四個邊界圓圓心的世界坐標(biāo)均向外擴展drel/2，據(jù)此，得到的標(biāo)定板平面在相機圖像中的區(qū)域如圖6a中紅色區(qū)域所示。移除圖5b中不在該區(qū)域中的橢圓，得到的結(jié)果如圖6b所示。

(a)提取出的標(biāo)定板平面區(qū)域 (b)移除不在標(biāo)定板平面區(qū)域內(nèi)的橢圓圖6 標(biāo)定板區(qū)域提取

(5) 計算橢圓圓心在投影儀圖像中的圖像坐標(biāo)及其投影點在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)

圖6b中所提取的橢圓可能會包含部分錯誤的橢圓，需要將其去除。另外這些圓心坐標(biāo)是在相機圖像中表示的，需要將其與投影儀圖像中的原始標(biāo)定圓圓心對應(yīng)起來。由于標(biāo)定板平面是一個純平面，因此，該平面誘導(dǎo)了相機圖像平面與投影儀圖像平面之間的一個單應(yīng)變換[16]，即：

xp=Hxc

(3)

其中，xp表示投影儀圖像坐標(biāo)的齊次形式，xc是相機圖像坐標(biāo)的齊次形式，H是3×3的可逆矩陣。在標(biāo)定的過程中，要求投影儀圖像中心5個大圓必須投射在標(biāo)定板平面內(nèi)，并且在相機圖像中被正確的提取與識別出來，由相機圖像與投影儀圖像中5組大圓圓心的對應(yīng)性，可求解出H。用Ec表示圖6b中提取出的橢圓圓心的集合，根據(jù)式(3)，可將Ec轉(zhuǎn)換到投影儀圖像中，記轉(zhuǎn)換后的橢圓圓心集合為Ecp，投影儀圖像中原始標(biāo)定圓圓心集合為Ep。在理論情況下，Ecp中的橢圓圓心應(yīng)該與Ep中的圓心重合，但是由于誤差以及Ec中含有錯誤的橢圓，Ecp中的橢圓圓心與Ep中的圓心并不重合，而是相距一個較小的距離。因此，將Ecp與Ep進(jìn)行比較，只保留Ecp與Ep中圓心歐式距離小于某一閾值(本文取10個像素)的橢圓，并根據(jù)Ecp與Ec的對應(yīng)性，移除Ec中相對應(yīng)的橢圓。由于Ec中包含的錯誤橢圓在投影儀圖像中并沒有相應(yīng)的標(biāo)定圓與其對應(yīng)，因此，這些錯誤的橢圓將不會被保留，另外由于Ec中并不包含未被正確投影到標(biāo)定板平面的標(biāo)定圓，因此，Ep中與這些相對應(yīng)的標(biāo)定圓圓心也會被移除。通過以上這些步驟，使Ec與Ep一一對應(yīng)起來，并且其中只包含正確的標(biāo)定圓圓心坐標(biāo)。至此，標(biāo)定所需的物平面坐標(biāo)已經(jīng)得到。

對式(1)進(jìn)行化簡，得到下式：

(4)

MP=B

(5)

其中，

(6)

(7)

(8)

將Ec中橢圓圓心坐標(biāo)代入式(5)，可求出其在標(biāo)定板上對應(yīng)點的世界坐標(biāo)，從而得到標(biāo)定所需的空間三維點坐標(biāo)。由于相機鏡頭加工存在誤差，實際成像過程中存在畸變，若直接采用式(5)進(jìn)行空間點計算，則所得到的空間點坐標(biāo)將會存在較大的誤差，用這些點進(jìn)行投影儀參數(shù)標(biāo)定，則得到的標(biāo)定結(jié)果將是不準(zhǔn)確的，因此，首先需要對Ec中圖像坐標(biāo)點進(jìn)行畸變校正，這里，我們借用Opencv中的undistortPoints函數(shù)進(jìn)行畸變校正。

(6)對投影儀內(nèi)參數(shù)及畸變系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定

移動標(biāo)定板位置，獲得多組投影圖案物平面坐標(biāo)點和三維空間點坐標(biāo)后，采用張正友標(biāo)定法對投影儀內(nèi)參數(shù)及畸變系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。

(7)計算相機坐標(biāo)系與投影儀坐標(biāo)系的相對位置關(guān)系

在獲得投影儀內(nèi)參數(shù)后，對于任意位置的標(biāo)定板，可計算出左相機坐標(biāo)系、投影儀坐標(biāo)系與此時世界坐標(biāo)系的位置變換關(guān)系，分別用Rc,tc與Rp,tp表示，對于任意一點p，如果該點在世界坐標(biāo)系、左相機坐標(biāo)系與投影儀坐標(biāo)系下的非齊次坐標(biāo)分別為pw,pc與pp，那么有如下關(guān)系：

pc=Rcpw+tc

(9)

pp=Rppw+tp

(10)

將上式中pw消去后得到：

(11)

因此，投影儀與相機之間的幾何關(guān)系可以用以下R和t表示：

(12)

(13)

其中，R表示3×3的旋轉(zhuǎn)矩陣，t為3×1的平移矩陣。

通過以上步驟，即完成了投影儀的標(biāo)定過程，由于采用了兩張圖像做差的方法來分離標(biāo)定板原始圖案與投影圖案，相比于依靠顏色信息和形狀信息來區(qū)分的方法，本文方法不用重新設(shè)計標(biāo)定板，標(biāo)定過程也不受環(huán)境光的影響，因此分離過程更加魯棒，也更加簡單；由于在標(biāo)定過程中去除了未投影到標(biāo)定平面的標(biāo)定圓，因此，在標(biāo)定過程中，標(biāo)定板可以任意放置，大大簡化了標(biāo)定過程。總體而言，整個標(biāo)定過程只需人工干涉移動標(biāo)定板，其它步驟均可自動完成，非常利于在工業(yè)檢測中使用。

3 實驗

為了驗證所提標(biāo)定方法的有效性，采用實驗室開發(fā)的SIA-SCAN掃描儀(如圖7a所示)進(jìn)行實驗測試，其中兩相機的分辨率均為1292×964，投影儀的分辨率為1280×800。實驗所用的標(biāo)定板如圖7b所示。在實驗開始之前，首先需要對兩相機內(nèi)參數(shù)及其位置關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定，這里我們采用雙目標(biāo)定法進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后的平均重投影誤差為0.13像素，滿足精度要求。然后基于左相機標(biāo)定參數(shù)，按照上文所提方法，對投影儀內(nèi)參數(shù)及其與左相機位置關(guān)系進(jìn)行了標(biāo)定，得到投影儀內(nèi)參數(shù)標(biāo)定的平均重投影誤差為0.63像素。投影儀標(biāo)定精度低于相機的標(biāo)定精度。由于在投影儀內(nèi)參數(shù)的標(biāo)定過程中，需要根據(jù)相機標(biāo)定結(jié)果求取投影儀空間點的三維坐標(biāo)，因此，投影儀的標(biāo)定精度依賴于相機的標(biāo)定精度。另外，由于在實驗過程中采用的是商業(yè)投影儀，相對于工業(yè)相機，其自身的制造精度是比較低的。以上兩個因素的綜合影響，造成投影儀的標(biāo)定精度低于相機的標(biāo)定精度，但是，由于投影儀標(biāo)定信息僅僅用于反投影顯示，不用于三維重建，因此，該標(biāo)定精度完全可以滿足實際需求。

結(jié)合投影儀標(biāo)定數(shù)據(jù)，利用前述可視化顯示原理，對圖8a所示的被測件進(jìn)行了檢測，主要檢測內(nèi)容為鉚釘與其周邊區(qū)域的高低差，并判斷檢測值是否超出誤差范圍，超出用紅色表示，未超出用綠色表示，并將具體數(shù)值投影顯示在鉚釘旁邊。圖8b為檢測完成后生成的投影儀圖像，通過投影儀將該圖像投影到被測件表面，則可將檢測信息與被測區(qū)域?qū)?yīng)起來，投影顯示的結(jié)果如圖8c所示，從中可以看出，本文所提方法準(zhǔn)確地將檢測信息投影到了鉚釘區(qū)域，并且投影的檢測結(jié)果直接和缺陷區(qū)域相對應(yīng)，不存在誤標(biāo)記的情況，證明了本文所提反投影顯示方法的有效性。該反投影顯示方法，避免了操作員需要反復(fù)確認(rèn)的問題，并且結(jié)果直觀，可大大提高工作效率，在表面檢測，視覺輔助裝配等領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用價值。

(a)SIA-SCAN三維測量儀 (b)標(biāo)定板 圖7 實驗設(shè)備

(a)待測件 (b)檢測結(jié)果投影圖像 (c) 檢測結(jié)果圖8 可視化顯示結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對光柵投影測量系統(tǒng)結(jié)果顯示不夠直觀的問題，提出了一種直接利用該系統(tǒng)中的投影儀將測量結(jié)果投影到被測件表面的可視化顯示方法，并對可視化顯示原理進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，針對其中涉及的核心問題-投影儀標(biāo)定問題，提出了一種簡便的投影儀標(biāo)定方法，可快速完成投影儀參數(shù)的標(biāo)定。實驗結(jié)果表明，該方法可準(zhǔn)確地將檢測信息投影到被測件表面，顯示結(jié)果直觀，可大大提高檢測效率，不需要對原檢測系統(tǒng)做任何硬件改動，因此，具有極大的實用價值。

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(編輯李秀敏)

VisualDisplayMethodforGratingProjectionMeasurementSystem

CHEN Song-lin1,2, XIA Ren-bo1, ZHAO Ji-bin1, HU Mao-bang1,2, XIA Zhong-yuan1,2

(1.Equipment Manufacturing Technology Department，Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China;2.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

As an important three-dimensional measurement method, grating projection measurement has been widely used in many fields, but there are problems that the measurement results are not intuitive. Aiming at this problem, a visual display method of projecting the measurement result to the surface of the inspected object is proposed by using the projector in the grating projection measuring system. The measurement result can be directly projected to the corresponding detection area after calibrating the projector's intrinsic parameters and its relationship with the camera position. Thus, there is a large boost in terms of the intuitive display. Aiming at the core problem of this method-projector calibration, a simple calibration method is proposed, which can quickly complete the calibration of projector’s intrinsic parameters and its relationship with the camera position. The experimental results show that the proposed method is simple and effective, and the average re-projection error is 0.63 pixels. Thus it has a high precision and can meet the requirements of visual display.

grating projection measurement; visual display; projector calibration

TH16;TG506

：A

1001-2265(2017)09-0040-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.011

2016-11-17；

：2016-12-26

國家科技支撐計劃資助項目(2015BAF08B01)； 國家自然科學(xué)基金項目(51375476)

陳松林(1990—)，男，山西永濟(jì)人，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所博士研究生，研究方向為三維測量，(E-mail)chensonglin@sia.cn。