一种适合低信噪比投影栅的时空二维相移算法

提出了一种适合低信噪比投影栅的时空二维相移算法。首先设计四步相移正弦光栅条纹图,由DLP投影仪投影到待测物体表面,再由CCD相机采集受物体形貌调制的变形条纹图;然后对其中一幅变形条纹图进行傅里叶变换以确定抽样间隔,再对4幅相移条纹图用相移法求得条纹背景和调制幅度后,对每幅变形条纹图做归一化处理;对每幅相移条纹图在空间域进行下采样抽样和灰度插值,构建相移莫尔条纹图,得到多帧时空域相移条纹图;对多帧时空域相移条纹图按时空二维相移法处理求得莫尔相位,再将莫尔相位与抽样点相位叠加求和得到变形条纹图对应的相位数据;最后,以面膜作为样品进行了实验测量,结果表明,经典四步相移法重构的物体形貌出现明显失真,而本文方法能较好恢复物体的三维形貌。     

无相位去包裹的微分法三维形貌测量

提出了一种无需相位去包裹的微分算法,应用于 投影栅三维形貌测量。首先由计算机设计并生成 4幅四步相移正弦条纹图,利用DLP投影仪将其投影到待测物体上;然后由CCD相机采集受待 测物体面型调 制的变形光栅条纹图。再利用4幅四步相移变形条纹图,经数值运算求得沿水平和垂直方 向上待测物体 相位的偏导数,而相位偏导数的积分过程相当于求解泊松方程,于是利用离散余弦变换(DCT )求解泊松方程就可得 到待测物体三维形貌对应的相位数据,从而重构待测物体的三维形貌。测量结果表明,相位 解调的 标准差小于0.031rad,验证了本文方法的有 效性。     

两步广义相移的投影栅轮廓术

将两步广义相移法引入投影栅形貌测量,提出了 一种两步广义相移的投影栅轮廓术 。首先将2幅随机相移正弦条纹通过DLP投影仪投射到待测物体上,由CCD相机采集受物体形 貌调制的变形光栅条纹图;然后选择合适大小窗口经像素逐点均值法消除变形栅线图中的 背景 成分,利用栅线图灰度利用极值法、亚像素插和多点平均算法,准确提取2幅随机相移栅线 图的相移量;最后由求得的相移量和2幅消除了背景成分的栅线图,计算出与形貌对应的相 位数据。进行了实际测量,结果表明本文方法的可行性。     

改进的阶梯相位去包裹算法研究

为减少投影条纹数量,提高测量速度,提出了一种 改进的阶梯相位去包裹算法。算法 采用彩色条纹投影测量物体三维形貌,将正弦和阶梯相位条纹分别输入彩色图像的红 色和蓝色通道构成彩色条纹,由DLP投影仪将四步相移彩色条纹投影到待测物体上,由彩色 CCD相机采集。利用颜色分离技术得到2组四步相移条纹图,其中一组为4幅正弦条纹,由四 步相移法求得正弦条纹包裹相位,另一组4幅阶梯相位编码条纹图,由与正弦条纹周期一致 的阶梯相位构成,经阶梯相位解码确定条纹级次,利用自校正算法去除条纹级次噪点后,实 现相位去包裹。进行了实际测量,结果表明,本方法 测量精度与采用四步相移法相当,但只需4幅条纹图,有效减少了投影和采集的条纹数量, 提高了测量速度。     

基于一维经验模态分解的非等步在线三维面形测量

提出一种基于一维经验模态分解(EMD,empirical mode decomposition)的像素匹配方法,应用于在线三维面形测量。首先由计算机产生一固定正弦光栅条纹图,利用DLP投影仪投射到被测物体表面,物体在线运动将产生等效相移,由CCD相机采集5帧任意步长的受物体面形调制的变形条纹图。由于物体的运动使得几帧变形条纹图中的物体像素不对应,因此需要对变形条纹图进行像素匹配。通过对采集到的5帧变形条纹图进行一维EMD,可以得到与待测物体形貌变化一致的模态图像分布,然后通过大津法对其进行二值化处理,并截取可靠性较高的部分作为像素匹配模板进行像素匹配,计算出相应的等效相移量。最后利用五步非等步相移算法解相,并恢复出被测物体的三维形貌。计算机仿真与实验验证了本文方法的有效性。     

基于二维经验模态分解的五步非等步在线三维检测

提出一种基于二维经验模态分解(2DEMD)的像素匹配方法,并结合五步非等步算法应用于在线三维面形测量中。将一正弦条纹投影到在线匀速运动的待测物体上,物体运动产生等效相移,在一个条纹周期范围内任意采集五帧变形条纹图。采用2DEMD方法对变形条纹图进行分解,可以得到与待测物体形貌变化一致的模态图像,通过大津法对其进行二值化处理,并截取可靠性较高的区域作为像素匹配模板进行像素匹配,使各帧条纹图中物点一一对应并计算出相应的等效相移量。再利用五步非等步相移算法解相可得到截断相位,采用相位展开算法得到连续相位,利用相位高度映射公式可恢复出被测物体的三维面形。计算机模拟与实验验证了该方法的有效性。     

一种改进的消零频傅里叶变换轮廓术

为提高傅里叶变换轮廓术(FTP)的测量精度和范围,提出了一种改进的消零频FTP。将两幅随机相移正弦条纹通过DLP投影仪投射到待测物体上,由CCD相机采集受物体形貌调制的变形光栅条纹图,将采集的两幅条纹图相减得到无零频的条纹差图。对条纹差图进行快速傅里叶变换(FFT)后,通过简易滤波器提取基频成分,将其与彩色条纹或复合光栅投影相结合,可实现单次投影。理论和实验证明了本方法的可行性。     

基于单频四步相移条纹投影的不连续物体三维形貌测量

提出了基于单频四步相移条纹投影的不连续物体三维形貌测量方法。由计算机产生相移步长为π/2的4幅正弦条纹图像,利用液晶投影仪投影到被测物体表面,由CCD相机同步采集获得含有形貌信息的畸变条纹图并保存在计算机中,通过四步相移算法获得条纹相位信息。对于表面形貌不连续的物体,通过4幅畸变条纹图灰度算术和运算并进行二值化处理定位阴影或暗背景,利用二值图像修正解调的相位从而得到正确相位。实验结果验证了本方法的有效性。     

应用三步相移法的三维面形测量

提出一种基于三步非定步相移的三维面形测量方法。首先将投影仪投出的光栅进行预校正,保证投到参考面的条纹为标准的正弦条纹。测量时,由投影仪投影三幅等相移量的光栅到待测物体表面,CCD相机对应采集三帧变形条纹图,由相位计算模型提取相位。最后通过高度映射公式恢复待测物体的三维面形。该方法有较好的抗噪性能,在噪声较大情况下,仍能进行测量,为动态在线测量奠定了基础。模拟及初步实验均验证了该方法的可行性。     

三维小视场成像系统

研究了一套投影正弦光栅条纹,测量表面有大梯度或非连续结构等复杂形貌微小物体的三维测量系统。针对所测量物体大小,通过将体视显微镜、相机和投影仪组合,研制了具有较小视场的条纹投影系统。软件产生具有最佳条纹个数的三组正弦条纹图,每组包含四个彼此间有90相位移动的条纹。根据所测量物体表面颜色和纹理特性,选择投影系统的合适颜色通道投射软件所产生的正弦条纹序列到被测物表面。相机从另一角度获取经被测表面调制的变形条纹图。通过四步相移和最佳条纹选择方法分别计算得到折叠相位图和展开相位图。利用水平精密移动台定位一水平白板到几个已知位置,建立绝对相位和深度之间的关系,获得系统深度方向的数据。微小物体的三维形貌测量实验证明了所研制成像系统的可行性和准确性。     

相位测量偏折术中基于多频相移法的寄生反射抑制法

相位测量偏折术(phase measuring deflectometry,PMD) 是一种针对镜面和类镜面物体的光学三维面形测量技术。但在测量透明物体时,后表面反射光将与前表面反射光混合,从而造成条纹图案混叠,进而引入测量误差。为解决这一问题,本文提出了一种基于多频相移法的后表面反射抑制方法。通过分析相位误差与条纹频率之间的关系,并借助调制度曲线和构造的辅助函数,找到一个特殊的频率,理论上该频率下展开的连续相位等于前表面的相位。又由于透镜的复杂性,利用时间相位展开算法逐频展开的连续相位存在级次计算错误,为此提出了改进算法实现级次校正,进而得到该频率下的屏幕坐标,最终完成前表面面形的准确重建。透明镜片的实测结果表明,所提方法能从混叠条纹中顺利解调出前表面相位。     

基于光流场理论测量物体变形相位的新方法

基于光流场理论,提出一种由两幅条纹图像解调出 物体变形相位的新方法。首先根据光流场理论,获 得两帧连续图像之间的光流矢量场;然后运用双幅图像中初始图像的条纹频率与矢量场进行 计算,获得 物体的全场变形相位分布。模拟结果和实 验结果表明,本文算法将直观的运动矢量场和变形相位的提取相联系,能够解调出物体变形 相位信息, 不需要相位解包络运算,过程简单方便,并且在条纹越密集处提取的变形相位信息越准确。 本文方法为计算 物体全场变形相位分布和动态测量提供了新的途径。     

基于相移法的多目标运动物体三维重构

相移法可实现静态物体三维形貌的高精度重构,对于运动物体形貌重构则误差较大。其根本原因为相移法需要多个条纹图进行物体重构,而传统相移法理论没有包含物体的运动信息,无法描述物体运动对相位的影响。导致当物体在条纹图间发生运动时测量误差较大。针对以上问题,提出了一种利用物体运动信息对多个二维运动物体进行三维重构的新方法。不同的被测物体可具有不同的运动轨迹。首先,对多个被测物体进行识别并确定目标区域;然后,采用KCF算法对物体进行跟踪并使用SIFT算法提取物体运动前后的特征点,分别估计描述物体运动的旋转平移矩阵。将运动信息带入条纹描述方程中,获得包含运动信息的三维重构模型,最终采用最小二乘法提取正确的相位值。结果证明:该方法能有效地减少由物体运动引起的测量误差,扩展了三维测量的应用范围,具有较高的工业应用价值。     

不用专门相移装置的三维面形测量

提出一种不需要专用相移装置实现相移，主要利用数字图像处理技术实现三维面形测量的方法，研究结果表明，用原干涉图像及1幅以上的移值条纹图主可能实现物体三维面形的测量。     

正弦脉冲宽度调制条纹结合相位编码条纹的三维测量方法

提出了正弦脉宽调制和相位编码结合的一种三维形貌测量方法。这种方法离焦投影编码的两种条纹到被测对象上,使用相移算法,由正弦脉冲宽度调制条纹得到截断相位,由相位编码条纹解码得到条纹级次,从而恢复测量对象的三维形貌。实验结果证明了该方法有两个优点:(1)轻度离焦滤除了谐波从而能降低测量误差;(2)基于相位的编码方式能测量表面反射率不一物体。     

瞬时频率引导的小波变换轮廓术相位解包裹技术

提出了一种新的用于小波变换轮廓术进行相位解 包裹的质量图建立方法。对受物体形貌调制的变形 条纹图,利用小波变换相位解调技术获得变形条纹的包裹相位与瞬时频率;将瞬时频率与条 纹载频的绝对 差值和相邻像素点之间瞬时频率的变化程度两方面建立质量图,质量图值的大小可表示位 相质量的好坏, 质量图的值越小,相位质量越可靠;再设定阈值,将质量图分为质量好坏两部分,不同 部分分别采用 扫描线算法和洪流相位解包裹法进行位相解包裹。本文方法在提高解包裹处理速度的同时, 还可以更为精确 地检测出噪声、阴影或条纹突变等区域,使相位解包裹精度和效率得到了保证。通过理论分 析、仿真分析、 实物静态和动态实验表明,与现有的质量图引导的洪流相位解包裹法 相比,本文方法解包裹速 度更快,适用于动态测量中大量变形条纹图的相位精确快速解包裹。