结构光高精度位移测量系统的仿真研究

第２８卷第５期　黑龙江电力　２００６年１Ｏ月　结构光高精度位移测量系统的仿真研究　赵君　，曲通海　（Ｉ．黑龙江省电力科学研究院，黑龙江哈尔滨１５００３０；２．华电能源股份公司，黑龙江哈尔滨１５０００１）　摘要：采用３ＤＳ　Ｍａｘ和ＭＡＴＬＡＢ软件对基于点结构光的位移测量系统进行了计算机仿真研究。首先利用　３ＤＳ　Ｍａｘ对景物环境和传感器的各个组成部分，包括激光器投射器、摄像机和景物进行模拟仿真，然后对于仿真　得到的光斑图像，采用了改进的亚像素光斑中心定位的方法准确求解光斑中心，达到亚像素级，根据三角法利用　ＭＡＴＬＡＢ计算出景物的距离。　关键词：结构光；亚象素；光斑中心定位；计算机仿真　中圈分类号：ＴＮ２４９　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—１６６３（２ＯＯ６）０５—０３３７—０３　Ｅｍｕｌａｆｉｏｎａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａ　ｈｉｇｈ—ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｐｏｔ－・ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｌｉｇｈｔ　ＺＨＡＯ　Ｊｕｎ　，Ｑｕ　Ｔｏｎｇｈａｉ２　（１．Ｈｅ．ｉｌｏｎｓｉｉａｎｇ￣ｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，　１５００３０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｈｕｓｄｉａｎ　Ｅａｓｙ　Ｃｏｍｐａｎｙ　ｌｉｍｉｔｅｄ，　１５｛ＸＤ１。Ｏ￣ｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｍｉｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｐｏｔ—－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｌｉｇｈｔ　ｗｉｔｈ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｕｓｉｎｇ　ＳＤＳ　Ｍａｘ　ａｎｄ　ＭＡＴＬＡＢ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＷａＳ　ｃａｒｒｉｅｄ　ｏｕｔ．Ｆｉｒｓｔ　ｔｈｅ　ｓｃｅｎｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　ｓｅｎｓｏｒ，　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｌａｓｅｒ　ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ，ｃａｒｎｅｒａ　ａｎｄ　ｓｏｅｎｅ　ｗｅｒｅ　ｉｍｉａｔｔｅｄ　ｉｗｔｈ　３ＤＳ　Ｍａｘ．Ｔｈｅｎ　ｈｔｅ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　ｓｐｏｔ　ＷａＳ　ｅｒｓｕｌｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｈｔｅ　ｓｐｏｔ　ｉｍａｇｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ａｂｏｖｅ　ｂｙ　ｍｅ４１ｎｓ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｓｕｂ—ｐｉｘｅｌ　ｓｐｏｔ．ｃｅｎｔｅｒ　ｌｏｃａｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ａｔ　ｈｔｅ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｓｕｂ—ｐｉｘｅ１．Ｌａｓｔ　ｈｔｅ　ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｏｓｅｎｅ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｄｅ　ｗｉｔｈ　ＭＡＴＬＡＢ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔＯ　ｔｒｉａｎｇｌｅ　ｍｏｄｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｉｌｈｇｔ；ｓｕｂ—ｐｉｘｅｌ；ｓｏｐｔ　ｃｅｎｔｅｒｌｏｃａｔｉｏｎ；ｅｍｕｌａｉｔｏｎ　ｗｉｈｔ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　点结构光原理的距离测量是机器视觉中解决　的前提条件【４　Ｊ。结构光高精度位移测量系统的　距离检测问题的一个有效途径。它可以投射点状　仿真研究提出了采用计算机模拟提高该传感器准　光，也可以投射十字形光等…，具有丰富的投射　确度的方法和技术。　图案。它既可采用直射式，也可采用斜射式【２】。　这种距离检测技术具有效率高、自动化程度高等　１　传感器组成及工作原理　优点，非常适合用于机器视觉进行距离检测，而且　基于点结构光的位移测量系统主要由一个激　不受电磁干扰、温度、湿度等的影响，在工业生产　光器和一个ＣＣＤ摄像机组成（见图１），另外还包　和现实生活中有着广阔的应用前景。然而，在要　括图像采集、处理单元和相应的软件。工作时，首　求较高的应用场合，其精度往往不能满足使用要　先激光器投射出点状激光到景物表面，然后摄像　求。如何提高该传感器的测量准确度是目前需要　机摄取景物表面上的像，当景物移动后，再由摄像　解决的主要问题，并成为研究热点。　机拍摄此时景物表面上的像，由于景物移动前后　由于替代人眼的成像单元是数字器件，其分　相对激光器的位置不同，反射光线的角度也就不　辨率受到像素的限制，存在着量化误差　】。因　同，所以两次成像在水平方向上是不同的，从而利　此，亚像素细分是提高其分辨率、减小其量化误差　用三角法计算出景物沿激光光线方向上的位移。　收疆日期：２ＯＯ６—０８—２０　作者简介：赵君（１９６４一），男，２００４年毕业于哈尔滨理工大学测量专业，硕士学位，高级工程师，现任黑龙江省电力科学研究院总工程师。　－－———３３７－－－——　维普资讯 http://www.cqvip.com

Ｖｏ１．２８，Ｎｏ．５　Ｈｅｉｌｏｎ￣ｉａｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｏｃｔ．２０Ｏ６　Ｓ　圈１位移测量系统组成示意圈　２光斑中心定位　在理论上，激光器投射到景物上所成图像应　该是无面积的光点，但由于激光器的发散以及景　物表面的散射等因素的影响，实际中摄像机获得　的图像不是一个光点，而是一个光斑，是有面积　的。采用改进的亚像素光斑中心求解的方法对仿　真得到的光斑图像进行中心定位，实现了亚象素　级的视觉距离检测。　激光光斑的光强服从高斯分布，根据高斯函　数的特性，可以假设激光光斑的一维空间表达式　为　：　，（　）＝ｏ，ｅ　（１）　式中　）为插值函数，口、６、ｃ为待定系数，口、ｂ、ｃ　的值由激光光斑的光强分布决定，分别对光斑图　像　方向和Ｙ方向逐行（列）应用上式进行求解，　并对求得的结果进行归一化处理，即可求得激光　光斑的中心位置。在求解过程中，采用最／ｂ－－乘　逼近的方法求解激光光斑的分布表达式。　光斑中心求解算法的步骤如下：　ａ．对光斑的灰度图像进行滤波处理，消除图　像噪声干扰和由于景物表面特性等因素造成的光　斑散射。　ｂ．边缘检测，提取图像的边缘特征图。　ｃ．根据边缘图像确定光斑区域，并将光斑区　分离出来。　ｄ．在光斑区内利用亚像素拟合法求解光斑中　心。　．．．一３３８．．．一　３传感器仿真　３．１点激光器仿真　３ＤＳ　Ｍａｘ中的目标聚光灯（Ｔａｒｇｅｔ　ｓｐｏｔ）模型　是通过聚光灯照射中心点位置的设置来调整照射　角度的，且具有图案投射功能，投射效果类似于实　际的激光器，可以模拟投射器。　３．２摄像机仿真　３ＤＳ　Ｍａｘ提供的目标摄像机（Ｔａｒｇｅｔ　ｃａｍｅｒａ）　模型的镜头焦距、视场大小以及所拍摄图像分辩　率等参数可以根据系统指标进行调整，拍摄的光　斑图像与现实摄像机所拍摄的图像效果相近，具　有很高的仿真度。　３．３景物仿真　３ＤＳ　Ｍａｘ中提供了大量的基本三维几何体模　型，如立方体、圆柱体、圆锥体和球体，也可以自行　创建非标准几何体模型。景物表面材质（Ｍａｔｅｄ・　ａ１）可以从材质库中选取为金属、石膏等，也可以　根据需要调整其表面的颜色、反光度和漫反射系　数等参数自行设计表面材质。本文采用的是一个　金属材质的立方体。　３．４传感器设计　传感器的性能指标设计为：测量范围为１Ｏ　ｍｍ；测量精度为２　ｐａｎ；起始测点距离为４４　ｍｍ；　参考距离（中点）为４９　ｍｍ；最远测点距离为５４　Ｉｎｌｎ。　由于摄像机的视场角和焦距是相关联的，所　以设置摄像机的焦距为１３５　ｍｉｌｌ后，其视场角自　动设置为１５．１８９。。激光器和摄像机的距离设置　为２４．５　ｒｅａｌ。将激光器的聚光区投射角设置为　０．５，衰减区投射角设置为２．５。。　４仿真实验结果　通过更改景物Ｙ方向的坐标就可方便实现景　物距离的改变。图２是景物移动前后的对比。　圈２被测物体移动前、后的效果圈　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２８卷第５期　黑龙江电力　２００６年ｌＯ月　依照以上光斑中心定位方法，应用３ＤＳ　Ｍａｘ　点结构光位移测量系统可应用于汽车等回转　体位置偏离测量、尺寸测定、机械手和机器人等位　置探测等，也可广泛应用于几何量（位置、位移、　厚度、半径、形状等）的工业测量——特别是非接　触在线测量。　创建实验装置和拍摄场景，进行仿真实验，再利用　ＭＡＴＬＡＢ编程计算。实验结果如表１所示。　从结果分析看出，景物从４４　ｎｌｎｌ移动到５４　ｎｌＬＩＴｔ，其距离变化范围为１０　ｍｍ，距离间隔为ｌ　衄，最大相对误差为０．０４２％。大量的仿真结果　参考文献：　［１］朱洲，李德华，关景火．结构光测距系统仿真研究［Ｊ］．计算机　仿真，２ＯＯ４，２１（８）：１３２—１３４　表明，传感器的距离测量误差小于０．０５％。达到　了较高的距离测量精度。　５　结论　对激光光斑进行亚像素中心定位，显著地提　［２］冯俊艳，冯其波，匡萃方．高精度激光三角位移传感器的技术　现状［Ｊ］．应用光学，２００４，２５（３）：３３－３６　［３］Ｗｏｏ．Ｔ．Ｃ，ｌＪａｎｇ．Ｒ．Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｅａｓｕｒｍｅｎｔ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ｓａｍｐｌｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ—Ａｉｄｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ，２ＯＯ３，５（４）：２２３３　—高了点结构光位移测量系统的测量准确度。提出　的以３ＤＳ　Ｍａｘ和ＭＡＴＬＡＢ软件配合的仿真方案　充分发挥了前者良好的三维建模功能和后者简单　强大的图像处理及矩阵运算功能，传感器模拟效　果较好。同时保证数据运算及图像处理过程的精　确性。该方案为结构光视觉传感器研究提供了一　种高效的方法和手段，在缩短传感器研发周期和　２３９　［４］Ｓａｉｔｏ．Ｋ，Ｍｉｙｏｓｈｉ．Ｔ，Ｈｏｋｋａｉｄｏ．Ｎｏｎ￣ｏｎｔａｃｔ　３一Ｄ　ｄｉ０ｔｉ，￣ｎｓ　ｎｄ　ａｍａｃｈｉｎｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍｆｏｒｆｒｅｅ—ｆｏｒｍ　８　２００１，４ｏ（１）：铝３—４８６　［Ｊ］．ＡｎｌＩＲＩ８ｏｆｔｈｅＣＩＲＲ，　［５］王龙山．物体三维轮廓激光扫描测量技术研究［Ｄ］．长春：吉　林大学。２００１：３０—３３　减少其研发成本等方面将发挥重要作用。　（■辑昌子粥）　（上接第３３６页）　识和做好记录，一旦发现不合格的，立即返工或退　单，必要时发出停工令，组织调查，分析事故原因，　换；对于需要做试验的材料在试验后、使用前必须　研究处理方案，审查承包人提交的“事故调查报　将试验报告和检验单提交监理确认后方可使用；　对于作业环境和施工条件不能满足施工要求的，　不准开工或进行下一道工序施工；质量控制点或　告”，监督检查承包人处理方案的实施，验收处理　结果。　在白山抽水蓄能电站工程施工中，监理工程　对工程施工做　单元、分部、分项工程验收时，发现质量达不到要　师通过上述质量控制方法和手段，求又不能按监理要求处理质量缺陷或缺陷处理达　不到标准的，结算时不予支付工程款。　到了全过程、全方位的质量监控，从而有效的实现　了工程项目施工的全面质量控制。　（埔辑昌子粥）　４施工质量事后控制　因施工引起的工程质量事故。监理工程师必　须及时、准确的作出判断并发出“工程质量”通知　．－－——３３９－———