光栅投影式物体表面三维形貌测量方法的研究与改进

摘要

物体表面三维形貌测量在逆向工程、机器视觉、在线产品检测以及医疗诊断等领域的应用日益广泛。本文从理论和实践两方面深入研究了光栅投影式物体表面三维形貌测量方法。其基本原理是：向被测物体表面投影光栅图样，从与投影光轴成一定角度的方向获取由于物体表面高度变化而在其表面产生的变形条纹图像。计算机针对变形条纹图像进行处理，提取相位信息，进而重构出物体表面的三维形貌。 本文的主要贡献是： 以典型的交叉光轴系统为基础，阐述了采用光栅投影的方法进行物体表面三维形貌测量的原理。设计了由投影光源、CCD摄像机、图像采集卡和计算机等组成的三维形貌测量系统硬件装置；利用Visual C++6.0和MATLAB 7.0开发了测量系统软件包；对该系统作了标定；该系统包括光学组件、图像采集以及图像分析处理等功能模块构成。 本文对测量中的关键技术，如对条纹图像进行的预处理、解相、相位展开和系统标定等进行了深入的研究；提出了一种新型的“归一化”算法，成功地解调出简单物体的相位信息；重点研究的针对传统傅里叶变换轮廓术(FTP)的各种改进措施可以将FTP的测量范围拓宽3倍，测量精度得到明显的提高；新型的抗噪相位展开算法可检测出相位主值图中噪声点的位置，降低了噪声对相位展开的影响，提高了相位展开的精度。实验结果表明本文采用的光栅投影式物体表面三维形貌测量方法能够获得比较满意的结果。