基于双频光栅傅里叶方法的三维轮廓测量技术

摘要

在现代测量技术中,物体三维轮廓的测量有着广泛的应用。随着物体三维轮廓的非接触检测技术在自动控制、在线检测、逆求工程、医学诊断、工程设计、机器人视觉及许多生产过程中越来越广泛的应用,人们对三维轮廓测量的要求也越来越高,其应用领域也在不断扩大。
　　物体三维轮廓的测量方法有很多,作者重点研究了投影栅线法和傅里叶变换轮廓术。投影栅线法只能较好地测量曲面梯度变化不大的物体,如果物体表面存在物理性的不连续性或物体阴影导致的条纹图样的不连续性,叠相还原过程将无法准确进行。同时由于视场的原因,不能测量大面积的物体,特别是大型工件的曲面检测一直是生产中的关键技术难题。还有一个就是测量速度和测量精度的问题,很难达到实时的高精度测量。作者以一个台阶状的物体作为研究对象,探讨了采用双频光栅投影法、图像拼接技术、电子光栅、傅里叶变换轮廓术进行测量的技术。一定程度上解决了由于物体阴影和表面突变导致叠相还原无法准确进行的难题;同时解决了投影光栅的自适应问题;并大大提高了测量精度和测量速度。测试结果表明基于双频光栅傅里叶方法和图像拼接的原理能很好地测量台阶状物体的三维轮廓,并且具有较高的测量速度和测量精度。
　　作者在以上领域的研究中提出了一些新的思想,一定程度上解决了目前研究现状中的部分难题。本论文主要进行了以下几方面的工作:
　　(1)投影型莫尔法成像理论。
　　研究了投影型莫尔法的光学成像原理,对投影型莫尔法从物理光学的角度进行了理论分析,采用菲涅耳衍射公式得出了输出面上光场的理想计算公式,并用描点法模拟出了变形光栅的光强分布。
　　(2)一种改进型的傅里叶变换轮廓术的理论模型。
　　和传统的傅里叶变换轮廓术不同,在傅里叶变换之后,不对频谱部分频移,直接滤出需要的高、低频部分,再分别进行傅里叶逆变换。计算出物体表面相位后,再与参考面的相位相减,就可以得到与高度有关的相位差。这种方法与传统的方法相比,减少了3次频移的过程,大大减少了计算量,也提高了滤波的精度。比传统的方法简单,速度快,精确度也更高。
　　(3)提出了采用双频光栅傅里叶方法和图像拼接测量台阶状物体的三维形貌的方法。
　　采用双频光栅投影法,首先利用低频光栅测出物体大体的轮廓,再利用高频光栅对物体的细节进行精确测量,这样可以解决叠相还原的问题,大大提高测量精度。引入图像拼接技术可以有效地消除物体表面的阴影,大大拓展了测量的区域。
　　(4)基于区域黑白对比度和Levenberg-Marquardt算法的图像拼接。
　　首先提出了基于区域黑白对比度的方法确定边界线,并成功地确定了所要拼接图像的边界线,具有较高的精度。然后研究了基于双线性插值算法的以对应点灰度差值的平方作为目标函数和以对应点距离的平方作为目标函数的Levenberg—Marquardt优化算法的实现。
　　另外,作者还提出了一种新的双频光栅相位去包裹算法。
　　最后还讨论了进一步的研究方向:设计自适应数字滤波器和开发出更高分辨率的CCD(Charged Couple Device),从而大大提高系统的测量精度。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 物体三维轮廓测量的综述

1.3 物体三维轮廓的测量方法

1.4 光学投影式的三维轮廓测量技术发展趋势

1.5 选题的内容和意义

1.6 本文的主要工作和内容安排

2 投影型莫尔法成像理论

2.1 投影型莫尔法成像理论

2.2 该结论在三维轮廓测量方法中的应用

2.3 小结

3基于双频光栅傅里叶方法的三维轮廓测量理论模型与实验研究

3.1 投影栅线法

3.2 双频光栅频率的选取

3.3 双频光栅傅里叶变换轮廓术的理论模型

3.4 相位去包裹问题及解决方法

3.5 台阶状物体三维轮廓测量方法的实验研究

3.6 小结

4基于区域黑白对比度和Levenberg—Marquardt算法的图像拼接

4.1 图像拼接的概述

4.2 基于区域黑白对比度的边界线的确定

4.3 角点检测技术的研究

4.4 对应点距离平方的Levenberg-Marquardt优化算法的实现

4.5 基于双线性插值的Levenberg—Marquardt优化算法的实现

4.6 小结

5 基于双频光栅傅里叶方法和图像拼接的三维轮廓测量系统

5.1 测量系统构成

5.2 三维轮廓测量实验研究

5.3 小结

6 傅里叶变换轮廓术的测量范围和测量精度分析

6.1 FTP的测量范围分析

6.2 CCD的非线性对傅里叶变换轮廓术测量精度的影响研究

6.3 CCD离散抽样性对测量范围的影响

6.4 几种几何参数对测量误差的影响及改进方式

6.5 小结

7 总结与展望

7.1 本文的创新点

7.2 未来工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录

附录2 攻读学位期间主持和参加省部级课题目录