物理模拟试验模型顶面三维面形测量方法研究

摘要

三维面形测量在机器视觉、工业在线检测、实物仿型、地质勘探等多个领域具有重要的意义。基于傅里叶变换轮廓术的三维面形测量技术是三维传感中应用较为广泛的一种方法。 本课题是构造物理模拟试验系统的一个重要组成部分，主要用于对地质试验体顶面变形程度和过程的定量测量。文中对测量系统的滤波、相位展开以及系统标定等关键技术作了深入研究。 针对傅里叶变换轮廓术测量复杂物体形状时，出现频率混叠，滤波时难以确定截止频率，选用了巴特沃斯滤波器、矩形滤波窗、汉宁滤波窗以及小波滤波几种滤波方法对变形光栅图进行处理。计算机模拟并比较了在有噪声和无噪声的情况下不同滤波方法的误差分布，数据分析表明，汉宁滤波窗对噪声可以起到很好的抑制作用；利用小波多分辨率特性提取有效的基频分量，抑制了频谱混叠，实验结果验证该法可以提高傅里叶变换轮廓术的测量精度和测量范围。 在三维面形测量中，当截断相位数据受到噪声、阴影等因素的影响时，利用传统的相位展开算法进行相位展开时会出现拉线现象。本文对路径相关和路径无关的相位展开算法进行了重点研究。利用质量图导引算法对实际物体进行了相位展开，实验结果表明：相位导数偏差质量图能够比较好的反应截断相位质量，而最大相位梯度质量图可以正确标识出不连续区域。因此应该根据实际情况选择合适的质量图作为展开路径的质量导引。系统标定是进行光学三维测量的必要前提，系统标定分为两部分：Z坐标标定和(X，Y)坐标标定。Z标定用于建立物体高度和相位差的对应关系，(X，Y)坐标标定就是建立起图像像素坐标与物体世界坐标(x，Y)的对应关系。文中研究了摄像机成像的数学模型，介绍了采用的系统标定方法，并对实际标定结果进行了误差分析，实验结果表明，此方法有较高的标定精度和标定效率。 应用三维面形测量系统进行实物测量，实验结果证实了本文采用的滤波方法、相位展开算法和系统标定方法的有效性。

目录

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第1章绪论

1.1课题来源及研究意义

1.2三维面形测量技术概述

1.3傅里叶变换轮廓术的研究现状

1.4课题研究的主要内容

第2章基于傅里叶变换轮廓术的三维面形测量方法

2.1傅里叶变换轮廓术原理

2.1.1傅里叶变换轮廓术的基本原理

2.1.2 FTP的测量范围及误差分析

2.2傅里叶变换轮廓术滤波方法研究

2.2.1概述

2.2.2计算机仿真

2.2.3 FTP中不同滤波方法和参数的选择

2.3小波的应用

2.3.1小波分析的基本理论

2.3.2小波滤波理论

2.3.3实验结果及误差估计

第3章相位展开算法在三维面形测量中的应用

3.1概述

3.2相位展开算法原理

3.3极点

3.4质量图（quality map）

3.4.1几种常见的质量图

3.4.2几种质量图的计算机仿真

3.5相位展开算法

3.5.1路径积分的算法

3.5.2路径无关的算法

3.5.3相位展开算法的应用

3.6构造物理模拟试验顶面三维面形测量系统

3.6.1系统构成

3.6.2系统各主要部分的基本功能

第4章系统标定方法的研究

4.1引言

4.2系统标定

4.2.1系统结构分析

4.2.2 Z坐标标定

4.2.3 X和Y坐标标定

4.3标定试验

第5章总结

参考文献

致谢

个人简历、在学期间的研究成果