光学投影式三维形貌测量技术

技术开发单位北京理工大学技术简介光学投影式三维形貌测量技术是一种非接触、高精度、快速获取被测物体三维形貌的技术。基于该技术开发的测量系统由硬件和软件组成:硬件部分包括小型化条纹投射装置、高分辨率数字CCD相机和控制电路等;软件部分由北京理工大学自行编写,具有仪器控制、图像采集、分析和可视化等功能,并嵌套采用了相位解包裹专用算法。     

光栅相移精密控制系统的设计与应用

投影栅相位法是三维轮廓测量的热点方法之一,主要用于测量物体表面三维形貌和离面变形位移场等。根据投影栅相位法三维测量原理,提出了一种实现光栅相移精密控制的方法,详细阐述了整个装置实现控制的过程。通过对实际物体的测量,证明了该方法的有效性。将实验结果用于三维图像的重构,得出的物体三维图像表明：此种方法可以完好地实现投影栅相位法对物体的测量,其测量数据准确、测量过程可靠,并且大大提高了投影栅相位法的测量效率。     

小波消噪在三维测量轮廓术中的应用

在测量轮廓术中，噪声的影响会给测量得到的光强数据带来误差，通过带有误差的光强数据恢复出来的物体轮廓数据也有误差，而且，较高的噪声会上轮廓术中的相位解包裹算法失效。文中提出先利用小波进行前期处理，消除去噪声，再进行恢复其轮廓。计算机模拟结果表明，和传统的频域滤波相比，应用小波消噪的方法可以使相位误差在为减小，相位解包裹算法的稳健性得到了大大增强。     

数字全息相位解包裹方法的适用性分析

相位解包裹是数字全息测量中必不可少的一环,为了更好地应用数字全息测量技术,对常用的三种相位解包裹方法(基于离散余弦变换(DCT法)、四次快速傅里叶变换(4-FFT法)以及两次快速傅里叶变换(2-FFT法)的相位解包裹方法)的适用性进行分析和验证.首先从理论上,分别以三种方法成立的前提为依据,推导得出了三种方法基本公式各自成立的范围和精度,并指出这三种解包裹方法均不适用于解相位跳变大于π的包裹相位.通过peaks函数仿真模拟真实相位,进行包裹和解包裹运算.实验结果证明了当相位跳变小于π时,上述三种相位解包裹方法均适用,其中DCT法和4-FFT法精度较高, DCT法仅存在一个常数相位误差, 4-FFT法的均方差为1.3×10~(-16)rad, 2-FFT法的均方差为2.494 rad.反之,当相位跳变大于π时,上述三种方法均不适用,解包裹失败.总之,三种常用的解包裹方法中, DCT法可靠性更高,精度更高.该分析结果将为数字全息技术中相位解包裹技术发展提供理论支撑.     

结合二维信息的PMP三维测量相位展开方法

在基于光栅投影相位测量轮廓术的电子贴片安装印刷锡膏质量三维检测中,阴影、噪声和在线检测的快速性要求都使传统相位展开方法不能满足需要.结合该应用的实际工程条件,根据二维图像信息,可以改进相位展开方法:在测量对象平滑的区域,用基本原理法进行相位展开;在阴影、边界区域和三维异常的情形,分别采用质量图导向法和最小二乘法进行相位展开.实验证明该方法既保证了PMP包裹相位的正确展开,又提高了处理速度.     

相位偏移gamma矫正方法的结构光三维视觉测量技术

为补偿结构光三维测量过程中的非线性gamma误差,提出基于相位偏移的gamma误差矫正算法,对三维结构光视觉测量与重构技术进行了研究.首先,对结构光测量的基本原理和基于正弦条纹光栅的结构光测量方法做了介绍;其次研究了基于相位偏移方法的gamma矫正方法,通过实验对矫正方法的有效性进行了验证;最后通过三维重构实验得到被测量的物体矫正前后的三维重构图像,并且对其进行分析对比.实验结果表明,设计的矫正算法有效降低了三维测量中gamma畸变造成的相位误差的均方根值,提高了测量精度,具有实用价值.     

三维面形位相测量轮廓术的研究

研究了物体三维面形对正弦光场的调制机理和位相测量轮廓术（PMP）基本原理，同时探讨了PMP的关键技术-相位去包裹的实现方法，在此基础上，开发了基于微机的全套应用软件，并以一个典型的复杂三维面形硬币为例，采用四步相移技术进行了实物测量，获得了较为满意的结果，实现了高精度、无接触的三维面形测量。     

双CCD光栅投影法测量物体三维轮廓技术

为了实现物体三维轮廓的高精度测量,使用双CCD采集被物体调制的光栅图像,将四步相移法与图象编码法相结合对采集到的图像进行处理,得到物体上各个点的相位变化,根据相位变化求出物点相对于参考面的高度,从而获得物体的三维轮廓信息.实验表明,此方法测量信息获取完整,可以测量陡峭或不连续的物体,测量误差在0.05 mm以内.     

基于彩色编码条纹投影的孤立物体三维测量

针对空间分布呈区域状、不连续的孤立物体采用条纹投影与相位分析方法进行三维面形测量时,很难得到可靠的相位展开这一问题,提出了通过先后投影两幅π相移的彩色编码正弦条纹到孤立物体表面,方便快捷地还原对应区域颜色信息,同时利用截断相位分布的阶跃边界获得更准确的分色结果,用以指导相位展开。实验验证了方法的有效性。     

强度传输方程和神经网络融合的三维重构算法

针对原有强度传输方程法所恢复的相位精度不够精确的缺点,提出强度传输方程和神经网络融合的三维重构算法. 利用强度传输方程求解出物体不同角度的初始相位,利用神经网络算法进行优化,根据不同角度的最终恢复相位结合乘法技术重构出三维体信息. 该算法具有精度高的特点,可以为三维成像技术的应用提供参考. 对于实验中的示例图像,该算法将强度传输方程得到的相位误差从21.40%降低为5.26%,重构三维物体与模拟真实物体的相关程度为显著相关.     

无透镜傅里叶变换数字全息记录与再现

为了有效的记录和再现物体的数字全息图,搭建了无透镜傅里叶变换数字全息装置.根据传统全息理论,分析了无透镜傅里叶变换数字全息的记录、再现原理和实验要点,并进行相应的数字图像处理.结果表明:采用无透镜傅里叶变换数字全息术可以很方便的显示物体的再现像,同时记录物体的振幅和相位信息.此法操作简单,尤其在微小物体的三维形貌测量上将有着非常重要的作用.     

复合虚拟光栅在投影栅相位法上的应用

通常准确测量物体的突变形面,采用一种双频变精度方法．该方法测量周期长,动态性较差,所以提出了基于虚拟复合光栅投影的三维轮廓测量技术．在计算机上模拟生成虚拟光栅,将两种频率的光栅合成为投影复合光栅进行测量．本文给出了这种测量技术的原理,实验结果表明,采用复合虚拟光栅投影三维形貌测量技术可以有效地解决相位展开所产生拉线的困难,实验效果较好．     

光栅投影三维轮廓测量技术分析及进展

对于漫反射物体的轮廓测量的光学投影式轮廓测量技术，根据不同的测量方法和条纹图像分析技术可以大致分为两种：直接三角法和相位测量法，以相位测量法中的光栅投影法为重点，介绍了其测量原理和关键技术，如傅里叶变换法、解包裹、系统标定等，并分析了其研究热点与发展方向。     

基于可见光的三维图像处理技术

多频投影条纹是一种光学形貌测量技术。利用多频条纹投影技术,针对实物建立了被测物体模型,实验表明:该测量技术具备实时快速、全场测量以及无损测试等众多优点,同时还具有非常高的精度,能对不连续物体进行三维形貌测量,高精度还原被测物体的真实三维形貌。     

双频投影栅线法物体轮廓测量技术研究

在光学投影栅线法测量物体三维轮廓理论的基础上,本文提出了双频投影栅线法物体轮廓测量技术,通过两种不同频率的光栅投影图,能够直接得到包含物体高度信息的绝对相位值,能够实现具有陡峭边沿物体的测量,实验结果表明,利用该方法能够显著提高物体轮廓测量精度.     

基于枝切线和可靠度的区域增长相位解包裹算法

为了提高相位解包裹精度,提出了一种基于枝切线阻止误差传播和可靠度指引路径的解包裹算法。该算法首先计算像素点是否为残差点,根据残差点生成枝切线;然后计算像素点的可靠度,以两相邻像素可靠度之和作为边的可靠度,并按可靠度大小对边排序;接着从可靠度最大的边开始判断,若边对应的任一点未解包且未解包点不在枝切线上,则对边进行解包操作,若边对应的两点都已解包且不属于同一解包区域,则对解包区域进行归并操作;最后对枝切线解包。仿真和实验结果表明:该算法能有效减少误差传播,提高相位解包裹精度。     

三维物体轮廓测量标定技术中解相问题的研究

对三维物体轮廓测量标定技术中所遇到的卷相问题进行了分析，提出了多标定平面法和标记图像法来计算相位沿高度方向的卷相次数，并通过实验验证了该方法的有效性。     

基于三维校正的SHGC物体三维结构提取方法

针对SHGC(straight homogeneous generalized cylinders)图像的特点与从单幅图像中提取三维信息困难,设计了一种基于单幅SHGC图像和三维校正的三维结构提取方法。与传统的SHGC三维结构提取方法不同,该方法从三维空间中匹配的角度出发,构造一个二维横截面,在二维横截面上增加一个z轴,通过平移、旋转预先构造好的三维横截面,将构造好的横截面与原图像中SHGC物体的横截面进行兴趣点匹配,从而确定最优化结果时的仿射成像参数(λ, θ),通过成像参数可以成功提取SHGC横截面的三维信息,结合SHGC的子午线轮廓信息定性地得到整个SHGC物体的三维信息,提取SHGC表面的纹理,通过三角网格的方法将纹理贴到三维物体表面。实验论证了本文提出的三维结构提取方法是可行的和正确的。     

基于相移法的复杂表面物体体积测量系统

基于相移法测量原理建立了完整的物体体积测量系统。采用CMOS相机进行图像采集,使用相位差为π2的彩色编码光栅获取三维形貌,通过像素点面积乘以每点的高度,之后将每点对应的体积进行积分,从而得到物体的体积。使用LabVIEW软件作为开发平台进行数字图像处理,LabVIEW支持并行,提高了测量速度。图像处理采用中值滤波,并引入MATLAB软件进行辅助运算。实验结果表明,系统能快捷有效地实现三维形貌的获取,测量体积的相对精度在2.2%以内。     

一种GPS动态解相位模糊的搜索算法

在无法进行静态初始化的环境下,讨论了一种适用于动态环境下解算相位整周模糊的方法。首先确定相位模糊的搜索空间,然后利用统计检验逐步缩小搜索范围直至得到唯一正确值,同时通过积累残差平方和的比较,可以避免由于偶然误差的影响而丢失正确值。模拟实验进一步验证了其有效性。