光栅投影三维测量技术精度及可靠性研究

摘要

光栅投影三维测量技术，具有高精度、易于实现、非接触测量且能获得被测物体全场三维信息等优点。近年来，数字光栅投影测量技术，作为一种研究最为活跃的光学三维形貌测量技术，被广泛应用于逆向工程、快速成型、虚拟现实、产品质量控制与检测、生物医学、打击犯罪、文物保护等领域。随着三维测量技术不断进步，如何实现精度高、速度快以及针对具有复杂型面物体的三维形貌测量尤为重要。本文主要研究提高光栅投影测量技术的测量精度以及测量可靠性问题，并将相应成果应用到光栅投影测量系统，具体包括:
　　 (1)介绍了当今光栅投影测量技术的发展现状，分析了影响光栅投影测量技术测量精度以及测量可靠性的若干关键因素。其中，如何减弱以至消除系统输入输出非线性响应带来的主值相位误差，是提高测量精度首要解决的问题。另外，当被测物体含有复杂型面，例如:包含孔洞、急剧高度跳变、高噪声等，或者同时具有多个待测目标物体。如何进行高效的主值相位展开以获得连续绝对相位，对于提高测量可靠性而言非常关键。
　　 (2)提出了双步相移光栅投影测量技术。传统的双三步相移算法证明可以较大程度的减少数字光栅投影测量轮廓术的测量误差，基于严谨的理论分析与实验验证，针对常用的四步、五步相移算法，提出了相应的双四步、双五步相移算法。相较于双三步相移算法，双四步和双五步相移算法实现简单且能极大的减少测量误差，仅需通过投影两倍数目传统相移算法所需的投影光栅，并且可保持常用三步，四步及五步相移算法固有的优点，系统的测量精度得到较大提高。
　　 (3)提出了基于投影光栅预编码的非线性校正方法。总结现有的非线性校正方法，基于投影光栅预编码的非线性校正方法，通过对投影光栅引入一个合适的预编码值，将经过预编码调制后的投影光栅用于实际测量，可以极大的削弱由非线性响应带来的测量误差。提出一种新的求解合适预编码值的方法，相对于传统求解预编码值方法，本文所提方法简单易于实现，并且能获得较高精度的预编码值，实验验证本文所提方法可以较大程度的提高系统测量精度。
　　 (4)提出了一种枝切法主值相位展开方法。在受噪声影响比较明显的主值相位图中会产生不连续点，传统的相位展开方法往往会带来相位误差，枝切法是一种典型的在高噪声环境下获得正确绝对相位的方法。枝切法的关键问题是如何搜索最短枝切用于指导相位展开，提出一种高效的求解最短枝切的智能优化算法，在较短运算时间内即可搜索到最短枝切值，可以正确的指导枝切法相位展开。
　　 (5)提出了一种基于灰阶编码的自校正主值相位展开方法。灰阶码法常用于当被测物体含有不连续部分、不均匀表面反射率、多个孤立物体等复杂型面时主值相位展开，能够避免局部相位展开误差向全局范围内传递。但是拍摄获取的灰阶编码光栅黑白区域的边界处不具有设计的急剧变化，由此带来展开相位误差。提出一种采用主值相位跳变来校正条纹阶次的灰阶编码相位展开方法，简单有效的避免了在黑白边界处产生的展开相位误差，提高了光栅投影测量系统可靠性。
　　 (6)提出了一种基于相位编码的主值相位展开方法。基于相位编码的相位展开方法作为一种较新提出的相位展开方法，相较于基于灰度编码的灰阶码法，具有更高可靠性。灰阶码法可以通过增加投影光栅数目增加所需的编码数目，而相位编码法随着编码数目的增加会变得不那么可靠。提出一种新的相位编码方法，实现较高编码数目的高频主值相位展开，扩大了光栅投影法的测量范围。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光学三维测量技术发展现状

1．3 光栅投影三维测量技术分析

1．4 论文研究内容概述

第二章 双步相移光栅投影测量技术

2．1 双步相移算法

2．2 相位融合方法

2．3 实验

2．4 本章小结

第三章 基于投影光栅预编码的非线性gamma校正技术

3．1 相移算法及其相应gamma失真现象

3．2 改进预编码gamma校正技术

3．3 实验

3．4 本章小结

第四章 枝切法相位展开方法

4．1 求解最短枝切问题研究基础

4．2 求解最短枝切的学习算法

4．3 基于学习算法的枝切法相位展开方法

4．4 本章小结

第五章 基于灰阶码的自校正相位展开方法

5．1 传统的灰阶码相位展开方法

5．2 自校正灰阶码相位展开方法

5．3 实验

5．4 本章小结

第六章 基于相位编码的主值相位展开方法

6．1 传统的基于相位编码的相位展开方法

6．2 新的基于相位编码的相位展开方法

6．3 实验

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 本文工作总结

7．2 未来工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果