投影栅线法形貌测量中相位恢复和相位展开算法研究

论文摘要

投影栅相位法是三维形貌测量技术的一种非常重要的技术,它将光栅图样投影到被测物体表面,受物体高度信息调制光栅图样变形,变形栅像可以看作相位被高度信息调制的空间载频信号,这样各点的高度信息可以转化为计算各点的相位信息。自八十年代以来人们对投影栅相位法的研究越来越多,投影栅线法由于采用白光做光源,克服了用激光光源检测时对环境要求高的缺陷,有利于精确的三维形貌测量系统产品化。目前投影栅线法三维测量技术已经取得了很大的进展,但针于具有复杂表面物体测量时的阴影问题、测量精度、自动化程度等方面都存在一定的局限。现有的方法可能针对某一方面有所突破,但仅仅适用于测量特定的物体。随科技和工业技术的进一步发展,不同领域对三维形貌测量的精度、测量范围及实用性等方面的要求愈来愈高。因此,国内外许多研究人员都在不断进行研究,争取有更理想的新方法或对已有方法进行改进,以满足需求。本文主要针对投影栅线法三维测量技术中的两个关键技术相位提取和相位展开进行了研究。在现有相位提取算法的基础上,改进了最小方差迭代算法,并对该方法迭代时的相移量偏差进行了分析,通过迭代相移量的偏差可以减小一个数量级,从而提高了相位提取的精度;相位展开方面;借鉴图像分割思想,提出了新的多种点区域生长去包裹算法。实验表明该方法可以有效解决复杂表面物体去包裹时存在的阴影问题,成功实现了绕空洞去包裹。在进行理论、方法研究的同时,合理配置硬件设备,搭建了一套简易、灵活、操作方便的投影栅测量系统。并基于C++ Builder5.0,在老师的指导下和课题组另一位同学共同开发了测量系统软件,可以实现物体高精度的三维形貌测量。该平台能自动生产虚拟正弦光栅,设置光栅参数,图像灰度变换、滤波等几何变换,该平台能实现N步相移法,非定步长法、迭代方法提取截断相位,区域生长法等绕空洞去包裹处理,以及系统标定、三维重构等功能。图像均随时显示,与之对应的点云数据可以方便的导出,这不仅大大方便了对处理结果进行分析和参数的选择,而且为实际测量,数据处理提供了不可或缺的依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光学三维形貌测量方法概述
• 1.2.1 被动式测量
• 1.2.2 主动式测量
• 1.3 投影栅线相位轮廓术的研究热点
• 1.3.1 实时三维测量
• 1.3.2 阴影问题
• 1.3.3 投影方式
• 1.3.4 相位展开
• 1.3.5 测量系统的标定与优化设计
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 第二章 投影栅相位法测量原理及方法
• 2.1 投影栅相位轮廓术测量原理
• 2.2 几种常用投影栅相位法
• 2.2.1 傅里叶变换轮廓法（FTP）
• 2.2.2 相移法
• 2.2.3 空间相位检测法
• 2.2.4 余弦函数变换法
• 2.3 投影栅相位轮廓术的结构光照明方法
• 2.3.1 干涉型结构光场
• 2.3.2 白光投影的结构光照明
• 2.3.3 数字光栅投影照明系统
• 2.3.3.1 液晶LCD投影技术
• 2.3.3.2 全数字DLP投影技术
• 2.4 全自动数字投影系统组成
• 2.5 小结
• 第三章 相位提取算法改进
• 3.1 引言
• 3.2 常用相位提取算法简介
• 3.2.1 定步长相移算法
• 3.2.2 等步长相移算法
• 3.2.3 非定步长及单步长相移算法
• 3.2.4 最小方差迭代算法
• 3.3 相位提取算法改进—最小方差迭代算法改进
• 3.3.1 逆向迭代相移量求取假设条件更改
• 3.3.2 利用该算法求出调制度信息
• 3.3.3 迭代时相移量误差分析
• 3.4 小结
• 第四章 投影栅相位法中多种子点区域生长去包裹算法
• 4.1 引言
• 4.2 相位去包裹的基本原理简介
• 4.3 几种常见的复杂相位场相位去包裹算法
• 4.3.1 行列正反两次去包裹法
• 4.3.2 时间相位展开法
• 4.4 多种子点区域生长去包裹算法
• 4.4.1 物体轮廓有效测量区域自动识别
• 4.4.2 调制度分割原理
• 4.4.3 调制度阈值自动求取算法
• 4.4.4 多种点区域生长去包裹
• 4.5 去包裹中的“拉线”问题
• 4.5.1 “拉线”产生的原因分析
• 4.5.2 本系统的解决方案
• 4.6 小结
• 第五章 测量系统组成及实验结果
• 5.1 引言
• 5.2 硬件系统
• 5.3 软件系统及主要功能
• 5.4 实验结果
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 6.1 本文主要工作
• 6.2 创新点
• 6.3 有待研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 学位论文评阅及答辩情况表