基于条纹结构光投影的三维形变测量系统的设计与研究

摘要

对物体表面三维形貌的精确测量能够使人们更加全面、深刻地掌握物体表面的特征信息，从而可以对物体进行更加深入的研究。由于光学三维测量技术具有非接触、测量速度快、精度高等优点，满足更多学科领域的需要，因此成为近几年来国内外学者的研究热点。随着静态三维形貌测量技术的日趋成熟，国内外学者开始关注于对物体动态形变过程三维测量方法的研究，以获得被测物体表面物理结构参数，从而有助于描绘动态形变过程中物体表面的变化情况以及分析连续变化过程中物体的受力情况，具有重要的科学研究意义，且在工业、医疗、文化等领域中具有广泛的应用前景。本课题对于光学三维形貌测量技术进行了较为深入的研究，为解决现有动态三维形变测量方法中存在的一些问题，本文主要工作如下:
　　一、设计了一种基于傅里叶变换轮廓术的动态三维形变测量系统，并构建了系统数学模型，本系统利用计算机编码产生正弦条纹结构光图形，通过数字投影仪投射至待测物体表面，利用面阵相机采集受物体表面高度调制的变形条纹图像并输入至计算机内，通过均值旋转滤波算法和傅里叶变换轮廓术算法对条纹图像进行预处理和相位提取;
　　二、在相位提取过程中，采用自动窗口滤波算法对条纹图像频谱进行处理，通过自动设置带通滤波器截止窗口，实现了变形条纹图像相位信息自动提取;并通过一种快速标定算法获得了测量系统结构参数;最终在实验室条件下完成了对静态物体表面三维形貌恢复实验，并在此基础上对橡胶膜动态形变过程进行三维恢复测量，测量结果准确。
　　本文设计的基于条纹结构光投影的三维形变测量系统构建简单易实现，有利于系统小型集成化，同时具有测量范围广、结构简单、恢复速度快等优点，具有良好应用前景;该系统的实现将为后续课题高精度的三维形貌恢复技术提供实验平台，并为实现在全视场范围内高精度、动态三维形貌测量的研究提供基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及研究意义

1．2 光学三维形貌测量技术概述及国内外研究现状

1．2．1 接触式测量法

1．2．2 非接触式测量法

1．2．3 三维形变过程测量国内外研究现状

1．3 基于结构光投影的三维形变测量关键技术分析

1．4 本文工作安排

第二章 基于条纹结构光投影三维形变测量系统原理及方案

2．1 条纹结构光投影三维形变测量系统原理概述

2．2 测量系统的数学建模

2．2．1 傅里叶变换

2．2．2 傅里叶变换轮廓术原理

2．2．3 基于傅里叶变换轮廓术的测量系统数学建模

2．3 条纹结构光投影三维形变测量系统方案

2．4 本章小结

第三章 条纹结构光三维形变测量系统的软件设计

3．1 三维形变测量系统的软件设计及主要模块

3．1．1 条纹结构光图像预处理模块

3．1．2 条纹结构光图像的相位提取模块

3．1．3 条纹结构光图像的相位快速解包裹处理模块

3．1．4 测量系统结构参数的标定模块

3．2 理论模拟仿真实现

3．3 测量软件平台的设计

3．4 本章小结

第四章 基于条纹结构光投影的三维形变测量系统实验

4．1 测量实验环境及装置

4．2 系统结构参数标定实验及结果分析

4．3 系统测量精度的验证

4．4 实际动态表面形变过程的三维恢复

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢