数字合成莫尔条纹的频谱分析与滤波处理

莫尔轮廓术是实现物体三维面形测量的主要方法之一,它基于莫尔条纹产生和分析技术。莫尔条纹产生方法主要有阴影法、投影法和数字合成法三种。对于数字合成法,目前通常采用低通滤波提取莫尔条纹,低频区域含有许多无用频率成分,会降低所提取的莫尔条纹的质量。通过分析参考条纹图像和变形条纹图像经相乘、相加、相减运算结果图像的频谱,比较不同滤波处理方法对提取莫尔条纹的影响,提出一种采用带通滤波提取莫尔条纹的新方法。与低通滤波相比,带通滤波可以产生衬比度更高的强度分布为标准余弦分布的莫尔条纹;此外,相加和相减运算产生的莫尔条纹之间相位相差p,明暗反转。计算机模拟和实际实验均验证了上述分析结论的正确性和该方法的有效性与可行性。     

一种正弦光栅的设计与性能分析

在通过相位获取物体三维轮廓的光学三维测量技术中,需要向被测物体表面投射正弦光栅,为提高光栅投影正弦图样的明暗对比度,引入电子工程中的脉冲宽度调制方法设计正弦光栅。首先从理论上分析了高频三角波调制正弦波设计正弦光栅的可行性,描述了三维轮廓测量中光强分布函数,给出生成正弦光栅的具体例子;最后,分析了该光栅的频谱特性。     

正交余弦光栅的衍射场

为了研究正交余弦光栅的衍射场,采用波前相因子判断法并考虑到光栅孔径的影响,对正交余弦光栅的衍射进行了理论分析,得到了正交余弦光栅衍射场所含基元成分,导出了像面波前函数、像面振幅分布函数和光强分布函数,并得出主焦斑的半角宽度.结果表明,该研究可为光栅用于光学信息处理技术提供理论依据.     

双频虚拟光栅投影三维测量技术

莫尔三维测量中的傅里叶变换轮廓术(FTP)采用单一频率进行测量,存在着由于待测物体高度变化率过大引起的相位解调困难问题。为解决该问题提出了利用双频虚拟光栅投影的三维测量方法。通过双色光干涉同时形成双频虚拟光栅,将双色干涉条纹投影到被测物体上得到被物体形貌调制的变形彩色干涉条纹。变形的彩色干涉条纹经过光学接收系统成像在彩色CCD探测器上。彩色CCD探测器所接收到的是双色光通道复合的变形虚拟光栅图。通过色度学方法对同一幅彩色变形虚拟光栅图的不同色光通道进行分离,并对分离后的双频虚拟光栅调制图进行综合。既兼顾了效率,又有效地解决了被测物体高度变化率过大引起相位解调困难的问题。     

单模光纤相移三维轮廓测量术

提出了一种新的计算机图像处理光栅投影三维轮廓测量系统，该系统用一分二单模光纤耦合器产生正弦光强分布的投影光栅场；将光纤一臂绕在压电陶瓷（ＰＺＴ）环引入相移。将该系统用于实际测量得到了满意的效果。该系统具有结构简单、体积小、重量轻、光栅条纹清晰并且光强正弦分布等优点，有很高的实用价值。     

傅里叶变换轮廓术中由于坐标混淆而产生的高度测量误差的修正北大核心CSCD

傅里叶变换轮廓术是一种主动投影光栅测量物体表面三维形貌的技术,只需要一幅结构条纹图即可对整个范围进行分析。该方法通过对物体表面投影产生的变形光栅的相位与参考面的变形光栅相位相减,从而得以测量高度分布。但该方法在发散照明光路中所测量高度对应的坐标值只是一个近似,在做精确测量时还需要做理论修正。在理论上阐述了由坐标选取混淆产生的高度测量误差的原因,并对其做了一级修正。在实验上采用红绿双色条纹技术,并结合Matlab软件对误差做了定量分析。     

傅里叶变换轮廓术中由于坐标混淆而产生的高度测量误差的修正

傅里叶变换轮廓术是一种主动投影光栅测量物体表面三维形貌的技术,只需要一幅结构条纹图即可对整个范围进行分析。该方法通过对物体表面投影产生的变形光栅的相位与参考面的变形光栅相位相减,从而得以测量高度分布。但该方法在发散照明光路中所测量高度对应的坐标值只是一个近似,在做精确测量时还需要做理论修正。在理论上阐述了由坐标选取混淆产生的高度测量误差的原因,并对其做了一级修正。在实验上采用红绿双色条纹技术,并结合Matlab软件对误差做了定量分析。     

动态三维面形测量的研究进展

近年来,光学非接触三维面形测量技术被深入研究和广泛应用,其中常采用的技术方案是投影一个载频条纹到被测物体表面,利用成像设备从另一个角度记录受被测物体高度调制的变形条纹图像,再从中解调重建出被测物体的三维面形分布。与单帧图像的傅里叶条纹分析方法相结合,这种基于条纹投影的调制和解调技术被拓展应用到动态过程(物体)的三维面形测量和重建中,以满足日益增长的动态过程分析需求。回顾了近年来在基于条纹投影和傅里叶分析的动态过程三维面形测量以及薄膜振动模式检测研究中的进展,讨论了不同动态过程的测量方法和测量系统,给出了相关应用的实验结果。讨论了该技术的优点和面临的挑战,并指出了该领域今后的发展动向。     

分析组合型余弦光栅的衍射场

为了研究组合型余弦光栅的衍射场,采用波前相因子判断法并考虑到光栅孔径的影响,得到了组合型余弦光栅的衍射场所含基元成分,导出像面上的衍射场振幅分布公式,并数值模拟了像面上衍射场振幅分布和光强分布,最后得出各焦斑的半角宽度。结果表明,该研究可为余弦光栅用于滤波和光学信息处理技术提供一个理论基础。     

基于莫尔条纹的自准直测角方法研究

提出了一种基于莫尔条纹的自准直测角方法.该方法将成像式光栅方法、基于莫尔条纹的扭转测量技术、自准直测角技术相结合,利用标尺光栅像和指示光栅形成的光栅副夹角变化所引起的莫尔条纹宽度变化来反映平台棱镜的角度变化,建立了平台棱镜旋转角度、光栅栅线夹角及莫尔条纹宽度之间的关系式.有别于传统莫尔条纹的计数处理,通过图像处理获得了莫尔条纹宽度信息.实验结果表明,该系统接收到的莫尔条纹对比度清晰,满足莫尔条纹图像处理的要求,在±7′范围内,与0.2″自准直仪的比对误差在0.2″以内.     

基于结构光投影的薄膜振动模式分析

为了验证薄膜振动模式的有效性,采用正弦条纹投影和傅里叶条纹分析的方法进行薄膜振动模式分析和振幅重建,并进行了理论分析和实验研究。在基于结构光的主动3维传感技术中,傅里叶变换轮廓术具有单帧获取、高分辨率、全场可实时测量等优势,成为可测量动态3维面形的一种实用方法。正弦光栅条纹被投影到振动中的薄膜表面,采用低帧频的CCD相机采集由薄膜振动导致条纹局部模糊的一系列变形条纹图。通过傅里叶变换轮廓术方法进行处理,最终得到不同频率下实际测量的薄膜振动模式结果。给出了理论计算结果与实测结果的验证比较。结果表明,该方法测量的振动模式结果准确反映了薄膜振动情况。3维面形测量结果和实验验证了该方法的可行性。     

DMD芯片在光栅投影三维轮廓测量技术中的应用

光栅投影成像法经常用于物体的非接触形状测量和形变测量。通过莫尔相移法,可以实时获得物体表面的等高轮廓线。但是在测量高速运动物体三维轮廓图像时误差较大,因为相移法需要拍摄几张经过相移后的变形光栅。在加入了DMD芯片后,可以在CCD的一帧图像时间内完成所有的相移后变形光栅的图像拍摄,有效地降低了高速运动物体三维轮廓成像的误差。     

莫尔条纹在印刷品加密信息中的再现研究

本文研究如何利用莫尔条纹原理解释图书加密信息的解密。首先设计加密再现实验装置,利用光学显微镜测量加密卡和解密卡光栅常量,用面探测器记录形成的莫尔条纹,从而得到了加密信息再现的实验结果,接着理论分析得到了莫尔条纹的周期公式,最后将改变解密卡与加密卡的夹角获得的实验结果即当夹角余弦值从0.948 8到0.999 4变化时,对应的莫尔条纹周期从0.38 mm变化到6.27 mm,与理论结果进行了分析对比,分析表明实验结果与理论分析一致,从而论证了莫尔条纹在信息解密中的应用,这有助于增进对莫尔条纹在信息安全和防伪领域中应用的理解。     

绝对相位展开方法研究

提出一种新光学三维传感方法。该方法通过投影多组周期不同的正弦光栅条纹到被测物体表面,通过相移算法,反解各组投影条纹的截断相位,并采用所提绝对相位展开方法,对截断相位进行了解调,实现了对物体表面的测量。与双频光栅投影测量方法及传统时间相位展开方法相比,该方法投影条纹组数灵活、测量效率高,实验证明该方法的适用性。     

基于相位展开和一种新的迭代重建算法的流场莫尔层析术

使用莫尔层析方法测量温度场。设计了一种旋转莫尔偏折仪,该装置可以获取180°范围内的莫尔条纹图。采用傅里叶变换相位展开技术处理莫尔条纹,提取轴向任意截面的投影信息,使用一种新的莫尔层析迭代算法重建温度分布,该迭代算法与已有的代数重建算法不同,它由莫尔偏折基本公式和网格重建技术推导得出,直接使用光线偏折角进行迭代,可以直接实现对非完全投影数据的层析重建。实验中使用8个方向的莫尔条纹图对双峰结构温度场进行重建,得到了截面的温度分布,峰值的重建误差低于5%。测量结果证明这是一种准确、适用性广的层析重建方法。     

一种提高复合光栅实时三维测量精度的方法

提出了一种采用组合滤波窗提高复合光栅实时三维测量精度的新方法,通过对复合光栅相位测量轮廓术(PMP)原理的分析,发现当从采集的变形复合光栅中解调相移变形条纹时,解调精度与滤波窗的选择有关。通过对几种常见滤波窗函数的分析和比较,设计了一种将汉宁窗和矩形窗相结合的新型滤波窗。由于组合窗的滤波精度与物体频谱分布情况(面型情况)有关,在复合光栅三维实时测量中,对频谱成分适中的Peaks函数物体进行数字模拟,得到测量该类物体所需的组合窗口优化参数分布图,用得到的理论数据指导处理频谱成分适中的实物实验,有效提高了复合光栅实时三维测量精度。数字模拟和实验均证实了该方法的有效性和适用性。     

基于傅里叶变换的投影条纹非正弦性的研究

采用逆推法,计算出基于发散光路的三维测量中参考面上为标准的正弦性光场时的投影光栅函数,再将计算出的投影光栅,用投影仪投影到参考面上,从而获得了标准的正弦性光场,并利用傅里叶变换方法进行三维测量。实验研究表明,此方法可以有效地抑制变形条纹的频谱混叠,准确的提取其基频信息,从而提高三维测量的精度。仿真与实验均验证了提出方法的可行性与有效性。     

同心环形光栅莫尔条纹在测量角度方面的应用

本文导出了同心环形光栅莫尔条纹在测量角度方面的定量表达式 ,并给出了测量结果 ,提供了同心环形光栅莫尔条纹测量角度的既简洁又精确的方法。     

基于光栅调制的归一化频谱三维识别

为了解决三维物体识别速度和识别能力问题,提出了一种采用光栅调制基频滤波的归一化频谱相关识别新方法。基于归一化频谱相关模型,对物体平移和旋转后的基频模进行了理论分析和实验论证,得出了物体基频模具有平移不变性的特性。实验论证了该方法的有效性,采用该方法不仅能有效识别三维位物体,而且还能估计物体的旋转角度,精度优于±2°。结果表明,由于该方法只需投影一幅正弦光栅条纹,采集一帧变形条纹图,可以适用于三维物体的动态识别和在线识别。     

视差自由立体显示中莫尔条纹消除的研究进展

视差自由立体显示中视差生成元件参数的不合理设定会导致影响三维图像的莫尔条纹产生。因此,莫尔条纹消除是视差自由立体显示中的关键问题之一。本文简单介绍了3种视差自由立体显示原理。综述了视差自由立体显示中的避免莫尔条纹产生和莫尔条纹最小化2种莫尔条纹消除技术,着重介绍了莫尔条纹最小化技术,包括工程实验、莫尔条纹图像仿真、余弦光栅叠加模型近似分析和序数方程方法和傅里叶分析方法的一致性分析等技术。其中后2种技术给出了视差自由立体显示中莫尔条纹最小化的详细理论分析和解释,并为其他视差自由立体显示技术提供了设计依据。