基于扫描相关的N步非定步长相移算法研究

摘要

物体表面三维形貌测量具有十分重要的应用价值，已成为当今国内外的热门研究课题。在众多三维形貌测量方法中，投影栅相位法因具有全场测量、实时性强、测量范围广的优点而被广泛应用和研究，但该法的致命弱点是须用精密移相器，以保证精确相移量，否则很难保证精度。相移法在多次相移采集时，存在相移量误差，图像采集和数字化时，存在数据量化误差，这些将导致整个测量的系统误差，因此围绕提高相移法三维形貌测量的测量精度和速度进行研究，具有重大的理论和实用价值。
　　 本课题构建了投影栅相位法形貌测量系统，包括硬件设计、投影方式选择、栅线图的拍摄、相位去包裹、物体重建等，并针对影响该法测量实用性的几个关键问题进行了重点研究，取得了以下研究成果：
　　 1分析了传统N步相移算法的性能及精度影响因素，该法对相移精度要求高，否则影响测量精度。从理论和实验两方面，研究了相移误差对测量精度的影响，分析了该法的适用范围和条件。
　　 2设计了一种基于图像灰度的相移分析法，该法用概率细分思想，从全场数据概率极大值区域获得均值，以此确定相移量。通过大量仿真实验对该法进行了实验验证，结果表明该法相比传统相移标定法，具有速度快、精度高的优点。
　　 3提出了一种基于扫描相关的N步非定步长相移算法，该法是对传统的N步相移法的改进，不再苛求相移量必须为2π/N，而精度与传统N步相移法相当。从而降低了投影栅相位法三维测量对相移器的要求。
　　 4研制了一套三维形貌测量教学仪器，在搭建的测量硬件系统基础上，编程实现了硬件控制和数据分析软件，完成了系统集成。测控软件由C++开发，具有很强的实用性和可移植性。

目录

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第一章 绪论

1.1 光学三维形貌测量方法概述

1.2 投影栅相位法测量系统构成

1.2.1 投影成像方式

1.2.2 图像采集

1.2.3 控制及数据处理

1.3 投影栅相位法形貌

1.3.1 相位解调

1.3.2 相位展开

1.3.3 系统标定

1.4 投影栅相位法的研究热点

1.4.1 相移算法

1.4.2 去包裹算法

1.4.3 测量系统集成

1.5 本论文研究的主要内容及成果

第二章 N步相移算法性能分析

2.1 N步相移算法原理

2.1.1 傅里叶变换原理

2.1.2 N步相移法推导公式

2.2 N步相移算法性能分析

2.2.1 量化误差

2.2.2 相移步数和周期的选择对测量结果的影响分析

2.3 基于图像灰度和概率统计的相移量分析技术

2.3.1 理论基础

2.3.2 新算法实验验证和精度分析

小结

第三章 基于扫描相关的N步非定步长相移算法

3.1 相关性原理

3.2 基于扫描相关性的N步非定步长相移算法

3.2.1 新算法的提出

3.2.2 新算法理论分析

3.3 新算法应用特点

3.4 新算法性能分析

3.5 算法应用举例

小结

第四章 三维形貌测量仪系统

4.1 硬件系统

4.1.1 通用器件介绍

4.1.2 图像采集卡

4.1.3 电动台控制器

4.2 软件系统

4.2.1 硬件系统控制

4.2.2 数据处理系统

4.3 系统应用

小结

第五章 结论

5.1 总结

5.2 本文创新点

5.3 前景展望

参考文献

致谢

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