多谱段空间光调制三维形貌测量技术

论文摘要

物体的三维形貌测量在工业检测、机器视觉、医学等众多领域有着广泛的应用。光电三维形貌测量技术由于具有非接触、无损、高精度、快速、自动化等优点受到广泛的重视。论文围绕如何实现物体大面积、快速、高精度的光电三维形貌测量进行了一系列研究。针对光电三维测量中的技术难点,提出了多谱段分色调制的理论。分析了基于该理论并采用投影型虚拟光栅空间光调制条件下,一幅多谱段分色调制图像的相位综合与测量的方法,并进行了实验研究。论文第一章根据现代三维测量技术的发展,针对三维形貌测量技术的需求和应用,对接触式和非接触式三维形貌测量技术进行了比较,研究了国内外三维形貌测量技术的原理和特点。并对光电三维形貌测量技术的研究现状进行了阐述,分析了基于多谱段分色调制光电三维形貌测量的关键技术。第二章分析了投影型三维空间光调制的测量过程,建立了投影型空间光调制三维测量的理论模型。研究了在投影型空间光调制三维形貌测量中光路配置、调制方向的选择、面阵CCD成像器件空间采样特性及成像光学系统孔径等因素对三维测量的影响。第三章对产生余弦虚拟空间光调制的几种方法进行了理论分析,通过实验研究了这些方法生成空间调制光场的余弦特性。第四章针对现有光电三维测量技术的难点,通过对数字图像颜色描述系统的分析,根据色度学分色原理提出了一种多谱段分色调制理论。其中分色强度调制技术通过在RGB颜色描述系统中色光通道的合成与分离在成像设备记录的一幅图像中实现三种空间频率的光强调制。并根据对HSV颜色描述系统的分析,研究了色调调制的可能性,提出了一种空间连续色调调制技术。并对多谱段分色调制理论进行了实验研究。第五章分析了采用单频率空间光强度调制和色调调制下变形光栅条纹图的频谱特性,研究了离散傅里叶变换图像处理方法对相位测量的影响,并进行了精度分析和实验研究。第六章针对单频率空间调制傅里叶变换相位测量中相位展开困难的问题,提出采用平行和正交两种双频调制相位综合的解决方法。分析了这两种方法对三维测量精度的影响,并给出了利用多谱段分色双频调制下的实验结果。第七章分析了采用多幅强度调制图的空间相移相位测量技术的原理,研究了影响相移相位测量的因素。在此基础上提出了采用分色强度调制技术形成虚拟相移色光栅进行投影,一次记录获得三步相移的调制效果。并提出了一种多谱段分色频移相位测量方法,给出了测量原理和精度的分析。对多谱段相移和频移相位测量方法进行了实验研究。第八章总结全文并展望投影型空间光调制三维测量技术的发展趋势。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 三维形貌测量概述
• 1.1 三维形貌测量研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.3 光电三维形貌测量技术
• 1.4 论文主要研究内容及关键技术
• 1.5 小结
• 2 空间光调制三维形貌测量理论模型
• 2.1 余弦空间光调制三维测量模型
• 2.2 相位与高度的关系
• 2.3 象素点与测量点的关系
• 2.4 投影测量范围
• 2.5 小结
• 3 虚拟余弦光栅的空间光调制
• 3.1 实物光栅离焦投影法
• 3.2 光学干涉方法
• 3.3 数字投影仪方法
• 3.4 小结
• 4 多谱段调制与分色
• 4.1 颜色描述与分色
• 4.2 多谱段分色理论
• 4.3 空间连续色调调制
• 4.4 多谱段调制分色效果
• 4.5 小结
• 5 单频率强度和色调调制相位测量
• 5.1 强度调制傅里叶变换相位测量
• 5.2 强度调制变形光栅图分析
• 5.3 单频率强度调制的相位解调
• 5.4 色调调制傅里叶变换相位测量
• 5.5 单频率空间调制的实验结果
• 5.6 小结
• 6 空间双频率调制相位综合测量
• 6.1 平行双频空间调制相位测量
• 6.2 正交双频空间调制相位测量
• 6.3 双频率空间调制解调效果
• 6.4 小结
• 7 多空间调制相位测量
• 7.1 分色强度调制相移测量
• 7.2 分色强度调制频移测量
• 7.3 小结
• 8 总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 技术展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录