基于相位测量的瓷砖平整度检测技术研究

摘要

随着国家经济不断发展，人民生活水平日益提高，市场对瓷砖质量提出严格的标准。衡量瓷砖表面质量的参数有：边直度、直角度和平整度，其中平整度是描述瓷砖表面质量最重要的参数。目前，国内陶瓷企业对瓷砖的平整度检测与质量分级主要依靠人工操作，存在检测效率低、工作强度大、质量不稳定、漏检率高等问题。而国外的瓷砖平整度检测设备，限于瓷砖烧制工艺不同、工作环境恶劣以及巿场环境等因素，没能在国内陶瓷企业得到广泛应用。因此，开发适应我国陶瓷砖实际情况的平整度检测技术，具有重要的现实意义。 本论文在深入研究正弦光栅投影三维重建技术的基础上，提出基于相位测量的瓷砖平整度检测技术。该技术检测流程如下：（1)数字光投影仪向瓷砖表面投影单频正弦光栅，摄像机采集经瓷砖高度调制的变形条纹；（2)对变形条纹进行希尔伯特-黄变换解相位处理，得到瓷砖全场包裹相位；（3)用最小二范数相位去包裹算法对包裹相位进行去包裹处理，然后根据系统确定的相位-高度关系恢复瓷砖表面高度信息；（4)通过张正友标定算法标定摄像机的内、外参数，利用该参数将瓷砖高度信息转换成三维点云；(5)从瓷砖三维点云中提取特征点；（6)利用最小二乘法对瓷砖表面进行拟合，得到瓷砖的空间平面方程；（7)计算瓷砖平整度。 本论文在瓷砖特征点检测过程中首次引入凸包模型，提出两个瓷砖特征点快速检测方法：直接检测法和点云投影检测法。随后本论文研究三维离散点平面拟合理论，实现密集点云下瓷砖表面的最小二乘拟合，最终成功计算出瓷砖的平整度参数，并获得瓷砖三维表面质量图。 实验结果表明：基于相位测量的瓷砖平整度检测技术能在单幅拍摄条件下快速获取瓷砖全场三维信息，平整度检测时间不超过0.5s，其测量精度高达0.01mm。可预见本技术将在瓷砖平整度检测自动化与科学研究方面有良好的应用前景。

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 瓷砖检测技术国外研究现状

1.2.2 瓷砖检测技术国内研究现状

1.3 本论文主要内容和研究技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 研究技术路线

2 光学三维测量技术

2.1 接触式测量

2.2 非接触式测量

2.2.1 飞行时间法

2.2.2 干涉法

2.2.3 光学三角测量法

2.3 本章小结

3 基于光栅投影的三维轮廓测量技术

3.1 光栅投影法三维轮廓测量的基本原理

3.2 相位测量技术简介

3.2.1 相位测量轮廓术

3.2.2 傅里叶变换轮廓术

3.2.3 希尔伯特-黄变换

3.3 相位测量技术模拟与分析

3.3.1 相位测量轮廓术模拟与分析

3.3.2 希尔伯特-黄变换模拟与分析

3.4 相位去包裹

3.4.1 相位去包裹技术简介

3.4.2 最小二范数相位去包裹算法

3.5 三维轮廓测量系统搭建与测试

3.5.1 三维轮廓测量系统搭建

3.5.2 系统三维重建测试

3.6 本章小结

4 摄像机标定

4.1 参考坐标系简介

4.1.1 图像坐标系和像平面坐标系

4.1.2 摄像机坐标系与世界坐标系

4.2 摄像机模型

4.2.1 摄像机的针孔模型

4.2.2 摄像机的畸变模型

4.3 摄像机标定方法

4.4 张正友标定算法原理

4.5 摄像机标定实验

4.6 单目摄像机三维重建

4.7 本章小结

5 瓷砖平整度检测

5.1 瓷砖平整度检测标准

5.2 凸包的基本概念及算法实现

5.2.1 基本概念

5.2.2 二维凸包算法

5.2.3 三维凸包算法

5.3 KNN原理及实现

5.4 瓷砖特征点检测

5.4.1 方法1：直接检测法

5.4.2 方法2：点云投影检测法

5.5 瓷砖特征点检测实验

5.6 最小二乘法拟合瓷砖平面

5.7 平整度检测

5.8 瓷砖表面质量分析及中心弯曲度的改进

5.8.1 瓷砖表面质量分析

5.8.2 瓷砖中心弯曲度参数计算的改进

5.9 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢