基于相位测量法的光学三维形貌测量研究

摘要

随着计算机技术、电子技术及现代光学技术等学科的飞速发展，非接触式三维测量技术也相应得到了很大的发展。非接触式三维形貌测量技术具有测量速度快、分辨率高、非接触、适应性强、自动化程度高、成本低廉等优点，因此在反求工程、计算机辅助设计、数控加工技术、工业快速成型、产品质量检测、人体测量、医学诊断、以及建筑、桥梁、隧道等大型基础设施检测等诸多领域获得了广泛的应用。 投影栅相位法是光学非接触式测量的一个重要分支，是结构化光照法的一种。把具有一定特性的结构光投射到被测物体表面上，由于物体表面存在凹凸现象，使光栅条纹产生变形，通过CCD摄像机可以采集发生畸变的条纹信息，从畸变的条纹中提取被测物体的三维形貌数据。这种方法既避免了提取等高线、确定云纹级数等处理过程，又提供了可用于测量分析的数据，宜实现图像处理自动化，还可以通过图像的采集密度来获取较大的数据量，以实现测量的高精度和高灵敏度。 本文设计了两套实验测量系统：(一)傅立叶变换方法与数字影栅云纹相结合的实验系统：利用计算机生成正弦条纹，通过LCD投影仪投射到物体表面，用CCD摄像机采集放置待测物体前后的两幅栅线条纹图，存储在计算机内，根据傅里叶变换方法对图像进行处理，最终得到物体的三维形貌图。(二)四步相移法与影栅云纹相结合的实验系统：计算机编程产生脉冲输出给IPC5373工控板控制步进电机运转，再通过机械装置实现投影光栅的微操动，从而现实三维形貌测量的相移。实验结果表明，该系统简单且操作方便，提高了测量系统的精度和自动化程度，有一定的实用价值。 论文最后主要从提高系统测量精度的角度出发，分析了由系统投影装置、成像装置、光栅自身参数、采集图像模块和图像处理模块对系统测量精度的影响，并提出了相应的解决办法，进一步提高了系统测量的准确性和可靠性。

目录

文摘

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第一章绪论

1.1三维形貌测量技术和方法发展简介

1.2光学三维形貌测量方法的研究难点、热点

1.3光学三维面形测量方法的应用

1.4本课题的研究背景、意义和主要研究内容

1.5论文的章节安排

第二章傅立叶变换方法和相移法的基本原理

2.1傅里叶变换方法的基本原理

2.2数字影栅云纹与傅立叶变换方法的结合

2.2.1数字影栅云纹

2.2.2数字影栅云纹和傅里叶变换方法在实验中的结合

2.3相移轮廓术的基本原理

2.4影栅云纹与四步相移法的结合

2.5本章小结

第三章利用相位测量法进行三维面形测量的实验研究

3.1实验系统的设计组成

3.1.1硬件

3.1.2软件

3.2条纹图像预处理

3.2.1基于傅立叶变换法的图像处理及滤波窗口的选择

3.2.2基于四步相移法的图像处理

3.3相位去包裹

3.4系统标定

3.5实验结果

3.5.1数字影栅云纹与傅立叶变换方法相结合的实验结果

3.5.2实验结果中出现的一种情况

3.5.3影栅云纹与四步相移法相结合的实验结果

3.6本章小节

第四章实验系统的误差分析

4.1误差分析

4.2投影装置的影响

4.3成像装置的影响

4.4光栅自身参数对系统的影响

4.5采集图像模块的影响

4.6图像处理模块的影响

4.7图像噪声误差

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢