基于条纹投影的复杂曲面测量技术

如何快速、高精度地测量复杂曲面的三维轮廓是目前的一个热点研究方向。与现有的测量方法相比,条纹投影轮廓测量技术具有非接触测量、测量速度快和重构点云密集等优点,在逆向工程等领域得到了广泛的应用。本文搭建了基于条纹投影轮廓测量技术的复杂曲面测量装置,并且对相位误差标定及补偿、投影仪精确标定、高阶系统模型简化以及有效点云快速识别等条纹投影轮廓测量的关键技术进行了深入地研究。最后使用该装置进行了叶片表面轮廓测量实验,实验结果表明,本文设计装置的测量偏差最大值不超过0.05 mm。     

人体三维扫描结构光解相位方法研究

在三维表面测绘中,基于格雷码和相移的结构光三维测量技术在临床医学中已被广泛应用.由于环境光、相机以及被测人体表面反光不均匀等因素的影响,相位展开时容易出现错误.针对上述问题本文提出一种算法,采用一幅没有条纹投影的目标图像和一幅经过条纹投影的图像共同完成图像分割,以期提高格雷码投影图像的分割准确率,消除目标表面纹理和环境光线的影响.再对格雷码图像和四步相移图像进行解码,得到绝对相位,并对绝对相位进行周期错位校正,最终获得理想的相位信息.实验系统由一个投影仪和平行双目摄像头组成,先后对仿真头部模型以及人的小臂进行三维扫描,生成的三维点云结果表明了该算法的可靠性.     

基于格莱姆-施密特正交化两步相移轮廓术

将格莱姆-施密特正交化法引入投影栅形貌测量,提出了一种新的两步相移轮廓术.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,再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,然后对消背景栅线图进行格莱姆-施密特正交化,得到2幅消背景相移栅线图对应的正交基,由正交基解调出相位数据.最后对面膜样品进行了实际测量,并与其它方法进行了比较分析,实验结果证明了该方法的有效性.     

一种彩虹全息凹印卷料的多光谱颜色测量技术

目的针对彩虹全息凹印卷料品的颜色测量问题,研究一套专用的光源和多光谱成像系统。方法基于衍射抑制模型,设计一种穹顶光源,采用类似积分球的照明方式,使入射光线能在(-π/2~π/2)均匀入射,遍布全息印刷品的照射表面。采用多光谱CCD相机,在一个CCD相机中形成12~36个光谱通道,相当于将传统的RGB三通道相机扩大为36个通道的相机。结果穹顶光源使得光源内部的发光强度均匀,对全息印刷品表面的衍射光线有明显抑制作用,削弱了衍射光栅的色散作用,通过多光谱相机成像获得了产品在多个通道的光谱特性。结论结合穹顶光源设计的多光谱成像系统很好地获取了多光谱颜色表达,测量精度在2个色差范围内。     

一种改进的基于条纹对比度的三维测量方法

基于条纹对比度的三维测量方法由于具有垂直测量的特点,可用于测量表面有突变的复杂物体的三维信息.本文在现有方法的基础上,提出了一种改进的基于条纹对比度的三维测量方法.该方法利用投影仪将一组相移的正弦条纹依次投射在被测物体上,并使被测物体位于投影仪成像面的前方,CCD相机通过一个半透半反镜从投影方向获取物体表面的条纹图像,...     

基于彩色编码相移条纹的相机标定

针对传统标定方法对靶标特征点模糊噪声适应性低的问题,提出一种基于彩色编码相移条纹的标定方法.以液晶显示面板为标定靶,依次显示水平和垂直彩色编码相移条纹;通过颜色通道分离,得到正交相移条纹;结合相移理论,以正交相位截断线的交点为特征点;多次改变靶标位姿,提取特征点,结合基于平面二维靶标的标定理论,实现单相机与双目立体视觉...     

可调合成波长链绝对距离干涉测量

本文提出一种利用半导体激光器的波长调谐特性实现的可调合成波长链绝对距离干涉测量方法 ,针对不同的待测距离 ,可选择不同的合成波长链 ,完成对待测距离的由粗测到精测的整个过程。文中基于这种方法构建了干涉测量系统 ,该系统利用压电陶瓷调制的在一条直线上的两个双光束干涉仪 ,使待测距离被包含于一个交流信号的相位项中 ,从而使小数条纹的测量转化为相位测量 ,合成波干涉条纹的小数级次由单波长干涉信号的相位测量值计算得到。文中以外尺寸测量为例描述了实验装置 ,实验结果表明 ,在现有的测量系统和实验条件下 ,待测距离小于 5mm时的测量极限偏差优于 2 0μm。     

一种高精度的非线性相位误差校正方法

在相位测量轮廓术中,测量系统中投影仪等存在的非线性响应大大影响了相位测量的精度,因此,如何快速高效地消除系统中的非线性误差是提高测量精度的关键.本文建立了相位误差的精确模型,并提出了一种基于相位误差精确模型的相位提取方法,利用高步数相移算法预先标定各频谱分量的比例关系,再通过迭代运算即可得到高精度的相位分布.实验结果表...     

利用白光扫描干涉测量表面微观形貌

由于激光显微干涉只能测量表面微观形貌的相对高度值,不能进行绝对测量,本文提出了白光显微干涉测量方法,研制了测量仪器,并对CCD像素格值和PZT进行了标定.该仪器以白光干涉理论为基础,利用空间频域算法计算白光干涉图零级条纹中心位置,根据零级条纹中心移动量来得到被测工件表面微观形貌.对被测工件表面进行了测试,试验结果表明:...     

琉璃瓦颜色测量方法研究

选择常用的两类分光光度计,以色差为评价指标,探索分光光度计在不同测量参数下,对琉璃瓦颜色测量的规律。研究结果表明:在SCI和SCE两种测量模式下,固定测量孔径重复测量结果稳定性好,但不同测量孔径对测量结果具有显著影响;在CIE推荐测量条件下不同测量孔径时,SCI与45°/0°的色差稳定性优于SCE与45°/0°的色差,但SCI与45°/0°的色差显著大于SCE与45°/0°的色差,且SCE在10 mm测量孔径下与45°/0°的色差最接近;琉璃瓦曲率越大,不同测量模式结果的稳定性越差,采用较大孔径(10 mm)测量结果差异最为明显;与SCI和45°/0°相比,SCE对于琉璃瓦表面形态的变化更加敏感。总体而言,积分球式分光光度计的SCE测量模式更适合于琉璃瓦颜色的测量,测量时应选择较大尺寸的测量孔径。     

双通道衰减测量系统的串扰分析

通过对双平衡混频器的分析,推导出双通道衰减测量系统串扰的分析模型,并对双通道衰减测量系统进行了泄漏测试,验证了分析结果。基于分析结果,得出本振通道的隔离度应不小于120 dB的设计,以使在100 dB量程,串扰影响不大于0.01 dB。串扰分析模型对毫米波双通道衰减测量系统的设计以及不确定度评定具有一定的参考价值。     

一种新的正弦相位调制干涉条纹相位稳定方法

在基于条纹投射的物体表面形貌测量中,温度漂移和振动是造成条纹相位漂移的主要因素。为了稳定条纹相位,在相位补偿系统(PCS)中运用峰值检测简化相位提取过程,发展了一种基于正弦相位调制的干涉条纹相位稳定技术。将光纤缠绕在柱形压电陶瓷(PZT)上,向PZT注入正弦驱动电压实现对干涉条纹相位的正弦相位调制。运用2×2光纤耦合器分光,结合马赫-泽德干涉与杨氏干涉结构实现条纹投射。光电探测器检测两端面反射信号形成的迈克尔逊干涉信号,从中提取环境因素引起的相位漂移,运用旋转坐标数字机进行快速反正弦计算,生成的补偿信号与调制信号叠加后共同驱动PZT,实现条纹相位稳定。实验结果表明,条纹相位稳定精度为5.5 mrad,较好地消除环境因素引起的相位漂移。     

基于白光干涉的空间频域算法研究

为了精确定位白光干涉条纹的零光程差位置,采用空间频域算法通过傅里叶变换提取白光干涉信号中心波长的相位信息并结合包络中心算法去除相位模糊从而实现零光程定位.实例测量了具有相位突变的计算全息元件的表面轮廓,其平均刻蚀深度为1.63 μm.测量表面形貌连续分布的微透镜阵列,0.32 mm×0.32 mm视场内表面PV为370...     

基于蚁群相位抖动优化的高质量三维形貌测量

离焦抖动技术有效避免了商用投影仪引入的非线性效应,能够实现高速动态测量,但是离焦后的二值抖动条纹和标准正弦条纹并不完全贴近,测量过程中会有一定的偏差.针对这个测量误差问题,本文提出一种基于改进二进制蚁群算法的优化方法,从相位域对二值离焦抖动技术进行优化改进,较好地提高测量精度.通过对小尺寸二值块的优化替代整个优化过程,...     

采用波长扫描外差式干涉仪进行高精度长度测量的方法

采用光学干涉仪准确地测量长度是非常容易的。然而,如果没有一个用来计算干涉条纹的运动装置,单频干涉仪的测量范围就被限制于小于半波长。为了解决这个问题,已经研究出一种频率扫描方法。它的相位分辨率不是太高,不过于涉条纹级次的整数部分可以确定下来。我们建议使用一种能够准确地测量长度的方法,那就是将高分辨率的相位测量技术和频率扫描技术相结合。这里使用一台频率扫描外差式干涉仪对这个方法进行研究。使用宽带频率扫描方法,结合外差相位测量,我们可以得到优于四分之一波长的高分辨率。这就意味着,我们测量绝对长度的精度达到纳米级,因为通过频率扫描可以确定条纹干涉级次的整数部分。测量距离在4mm时精度达到3mm。     

非整数倍双频光栅投影的相位测量轮廓术

采用整数倍双频光栅投影的借助低频相位导向的双相位图成整数比例相位展开方法不可避免误差积累传递,由此提出了一种采用非整数倍双频光栅投影的新光学三维传感方法。非整数倍双频光栅条纹投影到物体上,两相位同时分别以特定相位间隔增长,CCD依次获取16帧变形条纹图,通过这16帧条纹图的强度,可有效地分离出两组受物体调制的对应频率变形条纹的截断相位。利用两组截断相位关系,进行绝对相位展开,避免相位展开中误差的传递,较好地重建了被测物体的轮廓。计算机模拟试验结果证实,该方法与采用整数倍双频光栅投影相比,测量高度为105mm的同一不规则物体时,标准偏差由0.821mm降低到0.760mm。     

结构光视觉测量系统标定算法研究与实现

提出一种精确的结构光三维视觉测量系统标定算法.首先对系统内组件相机和投影仪进行亚像素和亚条纹级单独标定,在投影仪标定时,根据光学特性使用一种新颖的方法解决了系统标定的限制性条件:两组件标定时对标定物有严格的位置要求;另外,结合立体视觉标定技术,提出一种对系统结构进行强约束估计的系统标定方法,使用L-M优化算法调整各组件的内外参数,提高了系统整体的标定精度.试验结果表明了标定算法的鲁棒性和有效性.     

PMP系统中一种新的相位-高度映射算法

在相位测量轮廓术(PMP)系统中,由光路可逆原理将投影仪当成另一台摄像机看待.研究了空间点在摄像机和投影仪上投影关系,得到投影仪无畸变时PMP系统的相位-高度影射关系;再将它展开成多项式,使参数标定变得方便.进一步研究了投影仪存在镜头畸变时,相位畸变量与相位的关系;最后得到考虑镜头畸变的PMP系统相位-高度映射算法及其多项式表达式.通过计算机仿真表明,在通常的镜头畸变情况下采用4阶多项式表达的新算法最大绝对误差达到士1.0369×10-3 mm,标准偏差达到7.832×10-4 mm.最后在实际系统中进行了验证,实验中虽然由于测量误差的影响,测量标准偏差仍然可以达到0.0425mm.     

反向条纹投影技术及其在数字地球仪中的应用

本文提出一种基于反向条纹投影原理的数字地球仪.在数字地球仪中,显示屏是一个球面的漫反射屏,通过投影的方法可以实现数字地球仪任意方向的旋转显示.首先通过投影正弦条纹到球面显示屏上,从观察数字地球仪的方向用CCD相机获取变形条纹图像,通过相移算法,建立投影器和摄像机像素之间的几何传递关系.基于地球三维图形信息数据库,根据期望图像为投影器产生投影图像.本文建立了地球三维信息提取模型,可快速获取从任意角度观察地球的图形信息.实验使用一半径为25 cm的漫反射球体作为显示屏,将计算得到反向地图投影其上,得到相当好的实验结果.     

直线拟合的高准确度投影结构光系统标定算法研究

针对现有投影仪-相机结构光测量系统标定算法准确度不高的问题,提出一种基于直线拟合的高准确度标定算法。该算法首先找到系统灰度响应线性度较好的灰度区间,在该区间内采用三频四步相移算法对相机获取的投影光栅图像进行相位恢复。然后计算出棋盘格角点在相机坐标系中的坐标,并找到这些角点在投影仪图像中的对应像素点,通过直线拟合的方法进行优化,提高匹配点的搜索准确度。最后采用双目视觉的标定方法实现投影结构光系统的标定。系统标定实验的结果验证所提出的基于直线拟合的标定算法具有较高的标定准确度,有助于后续高准确度的三维重建与测量。