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。     

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。     

3D形貌测量中一种基于主成分分析的单帧投影栅算法

将主成分分析(PCA)引入投影栅形貌测量中,提出 了一种基于PCA的单帧投影栅算法。由计算机生成正弦条纹图,利用DLP投影仪投影到 被测物体表面,由CCD相机采集受物体 形貌调制的畸变条纹图并保存在计算机中进行处理。首先由采集的变形条纹图构成5帧 空域相移图;然后将多帧相移条纹图分解成不相关的主成分,由第1和第2主成分利用反正 切函数计算得到变形条纹相位信息;最后根据条纹相位的单调性,采用聚类分析法确定相位 全局符号。实验结果表明,本文算法无需确定相移量就可直接解调出与物体形貌对应的相位 数据,运算速度快,测量精度高,适用于在线三维形貌测量。     

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。     

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。     

无人机动态目标的快速捕获跟踪演示实验

为避免多级灰度值编码所带来的非线性问题,并 进一步提高测量速度和适应性,提出了一种二 元阶梯相位编码方法。首先,利用传统N步相移法,投影若干幅 正弦光栅条纹到待测物体表面,接着投影 若干幅相移条纹对应的采用二值化编码的条纹;在通过四步相移法求得光栅条纹的包裹相位 后,利用二值 编码条纹解调后得到的阶梯相位,确定光栅条纹的周期级次;最终根据周期级次对包裹相位 进行解包裹得 到绝对相位,完成相位去包裹。利用二值化条纹进行阶梯相位编码的方法,克服了传统阶梯 相位编码方法 使用多级灰度值引起的非线性问题。实验结果表明,以单通道投影图像数目为标准,在同等 条件下,与已有的同类方法相比,本文方法的测量速度提高了12.5% ,且适应性强,能够有效地进行物体的三维形貌测量。     

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。     

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。     

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。     

激光剪切干涉三维形貌测量

针对物体表面的三维形貌测量问题,提出了一种基于激光剪切干涉条纹的三维形貌测量方法。该方法利用激光剪切干涉原理产生密集的干涉条纹,将干涉条纹阵列照射到待测表面。利用四步相移法和解包裹算法求解被测物体表面的连续相位,进而获取曲面表面高度信息,最后建立被测物体三维形貌。本文对楔形薄片和木块进行了测试,初步实验结果证明了该方法原理的可行性。该方法可以与显微镜相配合,进一步发展可用来测量微结构3D形貌,在微测量领域具有很大的应用前景。