基于投影栅形貌测量的扫描相移法和仿真技术的基础应用研究

摘要

从广义上讲,形貌测量本质上是变形测量.现在正在发展中的物体表面三维形貌测量是物理光学工程、力学(特别是实验力学)、机械、形貌学与计算机信息图像处理自动化等紧密结合的一门新学科,它的内容丰富,应用广泛,深为学者们所关注.本论文所涉及的仅仅是这一新科学中的一个很有发展前途的热点领域:投影栅线法,重点是完善和发展这个方法,特别是侧重于对其中若干行之有效的新方法和新技术进行研究.经过努力实践,获得以下重要成果.为了扩大测量范围,提高测量的分辨率、灵敏度、精确度和效率,实现多次测量及实用性,在前人工作的基础上,提出了扫描相移法的原理与技术.其特点是通过移动比原栅线周期大得多的栅线像来实现相移,可以用低精度的移动装置得到较高的测量精度,且几何畸变误差也小得多;由于实际实现了多次测量,新方法消除随机误差的能力比传统相移法大大提高.又在总结投影栅线法一般误差分析的基础上,结合扫描相移法中移动待测物面,实现相移和实际多次测量的特点,从整体上考虑各参量对表面高度测量的影响,提出了扫描相移法的误差分析方法.通过应用对比,表明扫描相移法比传统的方法要好.围绕对液晶(LCD)投影仪和数码相机特性的研究,将计算机与二者连接起来,开发了一种能在计算机上直接制栅和自动进行图像处理的、物体表面细微观形貌测量技术.基本实验表明,这一技术是行之有效和有发展前途的.仿真模拟方法在科技、特别是军事领域中的预测和检测作用日益受到重视和日趋普遍.本文在投影栅线法中,提出利用照片和灰度图像作为仿真的主要数据,建立了较完善的进行三维形貌研究的全参数栅线图仿真模型和方法.根据投影栅线法中变形栅线图的条纹具有明显方向性的特点,设计了新的形态学方法的结构元素,采用以灰度及二值数学形态学方法为基础、局部与组合图像处理技术,提出了应用于投影栅线法形貌图像处理的新方法.还根据变形栅线的频谱特点,建立了在频域中,对投影栅线图进行图像处理的自适应多通带带通滤波器的方法.总之,本文成果改善了形貌测量中的投影栅线法,丰富了投影栅线法形貌测量学科的学术内容,对该学科的发展起了一定程度上的积极促进作用.

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1形貌测量领域和本论文的研究的内容、意义及应用前景

1.2三维形貌测量光学方法和其他方法的简要回顾和评述

1.2.1三角法

1.2.2 moire条纹等高法

1.2.3投影栅线相位法

1.2.4共焦法

1.2.5微观形貌测试法

1.3三维形貌测量技术的研究热点

1.3.1三维形貌测量的总体发展趋势

1.3.2数字散斑和数字全息

1.3.3微机电系统(MEMS)中的形貌测量

1.3.4基于小波变换的解相技术和其他数字图像技术的应用

1.3.5动态测量

1.4投影栅线法的研究热点和发展方向

1.4.1投影方式

1.4.2相位去包裹

1.4.3新的相位算法

1.4.4结论

1.5本论文主要内容的安排

参考文献

2几种基本的三维形貌测量方法

2.1引言

2.2三角法(光切法)

2.2.1点光源入射

2.2.2线光源入射

2.2.3栅光源入射

2.2.4常用的光带中心提取方法的分析

2.2.5三角法(光切法)研究新进展

2.3投影栅线法的基本方法——相移法

2.3.1投影栅线相位法基础

2.3.2定步长相移算法

2.3.3等步长相移算法

2.3.4新相移法算法的提出

2.3.5相移法小结

2.4傅氏变换法

2.4.1一维傅里叶变换法

2.4.2二维傅里叶变换法

2.5相位去包裹处理

2.6小结

参考文献

3三维形貌测量的扫描相移法

3.1引言

3.2扫描相移法(Scan-Phase-Shifting Method,SPSM)的提出

3.3扫描相移法的基本原理

3.3.1扫描相移法位相的计算公式

3.3.2矩阵G的确定

3.4利用仿真变形栅线图验证算法

3.5实物测量实验处理结果

3.5.1实验仪器装置

3.5.2测量结果与传统方法的比较

3.5.3扫描相移法其他方法的水平分辨率比较

3.6扫描相移法特点及相位计算公式的选择

3.6.1扫描相移法的特点

3.6.2相位计算公式的选择

3.7扫描相移法应用中需注意的技术问题

3.7.1扫描步距和栅线周期的确定

3.7.2图像系列图像灰度差异对测量的影响

3.8结论与讨论

参考文献

4扫描相移法误差分析

4.1引言

4.2扫描相移法中相位计算公式中的误差

4.2.1最后相位计算公式(3-8)的误差

4.2.2传统相移法中相位计算公式的误差

4.2.3非定步长相移算法的误差分析

4.3高度计算公式的误差分析

4.4光学成像中几何形变产生的误差

4.5扫描图像中物体对齐有偏差的影响

4.6其他误差的影响

4.7小结

参考文献

5投影栅线法三维形貌中的仿真算法

5.1引言

5.2投影栅线法中仿真的特点及必要性

5.2.1投影栅线法中仿真的必要性

5.2.2投影栅线法中栅线图的特点

5.2.3投影栅线法中栅线图对仿真的要求

5.3利用照片和灰度图像仿真待测表面高度方法的提出及其应用

5.3.1简单几何物体仿真变形栅线图的缺陷

5.3.2利用图像处理软件产生仿真高度数据的灰度图像

5.3.3利用照片产生高度数据仿真变形栅线图

5.4全参数的投影栅线图的仿真

5.4.1纯相位变化的栅线图的仿真

5.4.2变形栅线图背景的仿真

5.5物体表面材质、噪音和畸变的仿真

5.5.1物体表面材质的仿真

5.5.2噪音的仿真

5.5.3待测表面的斑点、空洞及栅线的重叠的仿真

5.5.4镜头径向畸变的仿真

5.6投影栅线图仿真要注意事项及应用举例

5.6.1投影栅线图仿真注意事项

5.6.2投影栅线图仿真应用举例

5.7小结

参考文献

6数学形态法在投影栅线法形貌测量中的应用

6.1引言

6.2数学形态学原理简介

6.2.1二值形态学基本方法

6.2.2灰度形态学基本方法

6.3投影栅线法中栅线图特点

6.3.1栅线类型与栅线图灰度截面图特点

6.3.2栅线图中的背景

6.4用数学形态学处理栅线图新方法的提出及实验结果

6.4.1形态学混合滤波器新的新结构元素设计

6.4.2组合处理及局部法处理方法

6.5结论

参考文献

7用于投影栅线法三维形貌测量的自适应多通带滤波器

7.1引言

7.2栅线图频率特点分析

7.3多通带滤波器的设计与应用

7.4自适应通带宽度滤波器设计

7-5结论

参考文献

8液晶投影仪及数码相机在投影栅线法细微形貌测量中的应用研究

8.1引言

8.2利用液晶(LCD)投影仪作栅线投影仪的研究

8.2.1 LCD投影仪的应用

8.2.2 LCD投影仪所得栅线的特点

8.2.3利用LCD投影仪进行三维形貌测量的新进展

8.3数码相机在投影栅线法中的应用

8.3.1数码相机采集栅线图所存在的问题

8.3.2图像存储格式对结果的影响

8.3.3数码相机应用注意事项

8.4小结

参考文献

9结论与展望

9.1结论

9.2存在问题与展望

9.3创新点总结

攻读博士学位其间发表/待发表论文

致谢

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