基于结构光投影的煤块和液膜三维形貌测量研究

摘要

中国是世界最大的煤炭消费国，煤炭的高效清洁利用对中国至关重要。煤的燃烧/气化是复杂的物理化学过程，受热膨胀、挥发分析出、破碎等过程常常伴随着表面形貌的变化，对其进行测量有助于人们对煤燃烧/气化机理的深入认识。而液膜在热能工程、航空航天等领域中也有着广泛的应用，如降膜冷却等。三维形貌测量在工业领域具有重要的应用价值。本文基于结构光投影技术，对能源领域的两个重要研究对象煤块和液膜的三维表面形貌进行了测量研究，并开发了相关软件。研究内容主要包括以下三个方面。 针对N步相移轮廓术，提出了一种改进的条纹模型，引入附加相位使得包裹相位的计算公式适用性更强，通过构造复数，使用复数的辐角主值来表示包裹相位，解决了反正切函数值域与包裹相位值域不匹配的问题。基于Qt和OpenCV库，使用C++语言开发了结构光处理软件ScanPro，软件主要包括条纹生成、系统标定和多频相移轮廓术处理这3大功能模块，可切换中文和英文两种语言。 基于多频相移轮廓术对厘米大小级别的煤块的表面形貌进行了测量研究。相比于普通物体，煤块形貌测量存在最大的问题就是煤块的表面总体呈深黑色，同时局部表面由于一些矿物质的影响存在强反光。导致在相位展开的过程中存在大量小范围聚集的无效相位点，使用一般的相位校正方法不能得到很好的结果。分析无效相位点的形成原因和分布特点后发现，无效相位点主要包括背景区域、阴影区域和其他由于随机噪声形成的无效相位点。相比于正常相位点，由随机误差导致的无效相位点分布呈现总体随机分散分布，局部小范围聚集的特性。基于条纹背景强度去除煤块背景区域和表面强反光点，利用调制对比度去除阴影区域，根据解包裹相位的相位梯度定义了可靠度判据，基于连通域分析去除剩余的无效相位点。对比分析了文献中另外两种可靠度导向的校正算法，对于光滑表面煤块，三种算法均能得到良好的校正结果，但是对于非光滑表面，本文的改进算法校正效果更好，效率更高。软件运行结果表明，本文所提出的无效相位点校正方案不仅适用于煤块等黑色物体，还适用于普通物体的三维形貌测量。从相位误差和标定误差两个角度分析了系统误差的来源。DLP4500投影仪的非正弦化误差相对较小。当条纹周期较小，由条纹离散化导致的误差达到了0.06rad。相机和投影仪的标定精度相当，特征点的均方根误差大约为0.1px。煤块测量过程中主要的误差来自于煤块测量中的条纹离散化误差和随机误差。利用量块检验了煤块形貌的测量精度，高度方向的平均误差约为80μm。对于本文使用的三频相移法，当图像分辨率为1280×960px2时，软件的处理速度最快可达3Hz，相位计算和系统标定的时间占整个计算时间的80%以上，是制约软件处理速度的主要因素。 基于傅里叶变换轮廓术，对竖直壁面下降液膜形貌进行了测量研究。通过模拟计算分析验证了物体高度变化率、随机噪声和条纹频率对三维重建精度的影响。随着随机噪声标准差的增大，相位均方根误差和高度均方根误差均增大。对于缓变表面物体，当噪声标准差等于0.1时，相位均方根误差为0.019rad，高度均方根误差为0.062mm。当条纹频率变大时，高度均方根误差逐渐变小。实验结果表面，液膜厚度的最大值随着液膜沿着壁面向下运动而先增大，然后逐渐减小。高度方向的平均测量误差约为0.10mm，均方根误差约为0.081mm。

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摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.1.1 研究背景及意义

1.1.2 煤块和液膜的形貌测量

1.2 结构光测量研究现状

1.2.1 结构光测量方法

1.2.2 结构光编码方案

1.2.3 无效相位点校正

1.2.4 系统标定

1.2.5 研究团队及商业化进展

1.3 主要研究内容

第2章 结构光测量基本原理

2.1 结构光测量原理

2.2 多频相移轮廓术原理

2.2.1 相移轮廓术原理

2.2.2 多频相位解包裹原理

2.2.3 系统标定

2.3 傅里叶变换轮廓术原理

2.4 本章小结

第3章 改进模型及软件开发

3.1 改进的条纹模型

3.2 软件开发

3.2.1 条纹生成

3.2.2 系统标定

3.2.3 多频相移轮廓术

3.3 本章小结

第4章 煤块形貌测量

4.1 引言

4.2 实验装置

4.3 无效相位点分析与校正

4.3.1 无效相位点的形成原因

4.3.2 无效相位点的分布特点

4.3.3 无效相位点的校正

4.3.4 不同校正算法的比较

4.4 系统标定

4.5 误差分析

4.5.1 相位误差

4.5.2 标定误差

4.5.3 精度检验

4.6 软件运行性能分析

4.7 本章小结

第5章 动态液膜形貌测量

5.1 引言

5.2 模拟仿真

5.2.1 物体高度变化率的影响

5.2.2 随机噪声的影响

5.2.3 条纹频率的影响

5.3 实验装置

5.4 液膜测量结果

5.5 本章小结

第6章 全文总结及展望

6.1 全文总结

6.2 创新点

6.3 不足与展望

参考文献

作者简历