调制度测量轮廓术在复杂面形测量中的应用

调制度测量轮廓术(MMP)是将物体的高度信息编码在投影到待测物面上的正弦条纹的调制度信息中,可以实现对物体的垂直测量,特别适合测量表面有高度剧烈变化或不连续区域的物体。探讨了基于傅里叶变换的调制度测量轮廓术在复杂面形测量中的应用,提出了调制度焦深的概念并详细分析了调制度焦深对测量的影响,以调制度焦深为基础从测量系统设计的角度提出了提高测量精度的具体措施,给出了实验系统设计方案,讨论了影响测量精度的几个实际问题及解决方案。对复杂面形和深孔物体的实测结果表明,基于傅里叶变换的调制度测量轮廓术测量复杂面形物体可以达到较高的测量精度。     

应用神经网络的复杂物体三维测量

将神经网络引入基于结构光投影的复杂物体三维面形测量。在测量过程中,利用神经网络强大的函数逼近能力,得到离散条纹图的连续逼近函数,从中解出物体的相位分布信息,获得物体的三维面形分布。应用神经网络方法,在结构光投影条件下,只需要获取一幅条纹图,便可以完成复杂物体的三维面形测量。该方法相比传统的傅里叶变换轮廓术,不存在滤波操作,不会在测量过程中丢失被测物体的高频分量,具有更高的空间带宽积和灵敏度,能准确测量出复杂物体的细节,更加适用于恢复复杂物体的三维面形。并且该方法在条纹图存在阴影的情况下与傅里叶变换轮廓术相比,能更好地提取出物体的相位信息,恢复物体的三维面形。模拟及实验均验证了该方法的可行性。     

一种无需标记的在线三维测量方法

提出了一种无需标记的物体在线三维面形测量方法。将一固定的正弦条纹投影到待测运动物体上,借助物体运动产生等效的相移变形条纹。基于傅里叶变换轮廓术的调制度对各帧变形条纹计算,提取其具有某一特定分布的特征区域,采用相关度最大法,检测各帧变形条纹对应的调制度特征区域的位移量来检测出物体的移动,从而实现像素匹配,得到一组像素坐标完全一一对应的等效相移变形条纹图。利用Stoilov相移算法得到物体的截断相位,利用位相展开算法展开位相,通过位相和高度映射即可实现在线移动物体的面形测量。通过计算机仿真验证了该方法的可行性。     

含镜面反射面形的傅里叶变换轮廓术

对于反射光含镜面反射的物体而言,由于镜面反射的存在,将会导致图像中存在许多的高亮区。因为镜面反射光强相对较强,因此图像中高亮区镜面反射光会不可避免地掩盖漫反射光场分布中的相位信息,从而导致错误的三维面形测量。从分析傅里叶变换轮廓术中光场的偏振特性出发,利用光学器件的滤光作用,结合现有傅里叶变换轮廓术和Phong光照模型,实现了含镜面反射的物体面形的三维测量。理论分析与实验结果均证明了镜面反射将影响调制光场的高度分布,并且还证明了提出的测量方法可有效消除投影光源造成的高反光区域,极大地扩展了傅里叶变换轮廓术的测量领域。     

基于图像二维小波多尺度分解傅里叶变换轮廓术

应用傅里叶变换轮廓术测量物体三维面形时,当被测物体形状复杂或是被噪声严重污染时,导致频谱分布展宽,发生频谱混叠现象,基频提取困难,无法准确恢复物体的三维面型.提出了基于小波分解的傅里叶变换轮廓术,采用小波变换的方法对变形条纹图进行二维多尺度分解,重构被测物的背景图像,滤出图像的零频成分,得到相对变形条纹.运用小波变换与傅里叶变换轮廓术相结合的方法,只需拍摄一幅变形条纹图,将被测物体与背景分离,不受背景成分的影响,且易于基频信息的提取,降低了对滤波器的要求.实验证明该方法较好地防止了频谱的混叠问题,提高了测量范围与解相精度.     

基于条纹投影的振动扬声器形变测量

动态傅里叶变换轮廓术是将结构光投影和傅里叶变换理论相结合的三维面形测量技术,它只需一帧变形条纹就可以恢复物体的三维面形,且速度快、精度高、易于实现,被广泛应用于各领域的动态三维测量。利用动态傅里叶变换轮廓术对扬声器在给定激励源频率下的振动过程进行动态测量,得到扬声器纸盆不同频率振动的三维面形数据。结合扬声器发声的机理,通过对振动扬声器三维面形数据的处理和分析,得到扬声器纸盆局部任意时刻的形变量,分析了产生纸盆自身形变量可能的原因,探究了纸盆振动对扬声器性能的影响,为扬声器的设计和改进提供依据。     

基于双色条纹投影的快速傅里叶变换轮廓术

在实际傅里叶变换轮廓术测量中，获取的条纹图扩展的零频分量对傅里叶变换轮廓术的测量精度和测量范围有很大影响，甚至妨碍正确三维面形的恢复。π相移技术常被用来消除零频分量对测量的影响，但需要在测量系统中安装精密相移装置，并需要采集两帧具有π相位差的条纹图。传统傅里叶变换轮廓术中，完成精密相移需要较长的时间，影响了傅里叶变换轮廓术测量方法的实时性。提出了采用双色正弦光栅投影来实现从一帧条纹图中消除零频对傅里叶变换轮廓术测量的影响。该方法同传统的π相移方法相比，不需要相移装置，测量系统简单，并且能真正实现高速测量。     

基于复合光栅投影的快速傅里叶变换轮廓术

在实际傅里叶变换轮廓术测量中,获取条纹图的零频分量对傅里叶变换轮廓术的测量精度和测量范围有很大影响,甚至妨碍三维面形的正确重建。π相移技术常被用来消除零频分量对傅里叶变换轮廓术测量的影响,但它需要采集两帧具有π相位差的条纹图。这影响了傅里叶变换轮廓术测量方法的实时性。提出采用复合光栅投影来实现从一帧条纹图中消除零频对傅里叶变换轮廓术测量的影响,该复合光栅是由两个不同频率的载频分别调制与其方向垂直的两帧具有π相位差的条纹并叠加形成的。实验表明,同传统的π相移方法相比,提出的新方法没有明显降低π相移傅里叶变换轮廓术的的测量精度,因此能真正实现实时高速测量。     

利用频闪结构光测量旋转叶片的三维面形

在对快速甚至高速运动物体进行研究时,需要对运动物体各个时刻的三维面形和形变量进行数字化描述。提出了一种利用频闪光作为结构照明光源,基于傅里叶变换轮廓术对旋转叶片每个时刻的三维面形和变形量进行动态测量的光学方法。使用自行设计的同步控制单元对风扇叶片旋转位置进行检测,用该检测信号同步驱动频闪结构光源的发光和图像采集系统“冻结”记录下旋转叶片表面变形条纹的瞬时图像,再运用傅里叶变换轮廓术计算出每一瞬间时刻旋转叶片的三维面形,分析这些三维面形数字化结果可以进一步得到旋转叶片的变形量。通过对家用电风扇的实验,验证了该方法的合理性和可行性。该方法可望在高速运动物体的面形和变形研究上有广泛运用。     

动态液面面形测量

将傅里叶变换轮廓术（FTP）运用到地动态液体面形测量,采用CCD快速获取由龙基（Ronchi）光谱投影到处于动态变化过程的液体表面上的一系列变形条纹,经过傅里叶变换,频谱滤波,逆傅里叶变换,三维相位展开等处理后得到的重建的一系列液面面形,能再现动态液面的变化过程,也能获取液体旋涡的一些特征参数,为流体力学相关研究提供了一种新的方法。     

基于自适应加权窗口的相位质量图提取

加权相位解缠算法的解缠精度取决于所提取的质量图的可靠性。目前提取相位质量图的方法大多采用以各个像素为中心的固定窗口法,但当某些像素被噪声严重干扰时,采用固定窗口法提取质量图往往得不到正确的解缠结果。因此,提出了几种自适应加权窗口方法来提取相位质量图,并给出了具体的实现方法和步骤,同时采用加权小波变换相位解缠算法进行相位解缠。实验结果表明,采用自适应加权窗口方法提取相位质量图来确定初始权重系数能获得比较好的解缠效果。     

非线性小数重合法及其在轮廓测量中的应用

叠相还原的困难是光栅投影式轮廓测量技术中影响可靠性和阻碍自动化测量的最大问题。本文提出了一种新型的时域叠相还原算法－－非线性小数重合法,这种新方法可以将可靠测量扩大数部,而不失测量精度。文中详细论述了非线性小数重合法的原理,并给出了轮廓的可靠测量的实验结果。     

A fast,accurate phase unwrapping method for wavelet-transform profilometry

A novel phase unwrapping method used in wavelet-transform profilometry is presented to improve the accuracy and speed of the unwrapping process. The wrapped phase of the fringe image is extracted by using wavelet transform. How to establish quality map using scale factor at wavelet ridge is discussed firstly. The proposed method can reflect the reliability of the pixels in fringe image effectively. As the consuming time of traditional flood-fill phase unwrapping algorithm is too long, an improved quality-guided method is used in phase unwrapping process. We divide the wrapped phase map into two levels following the established quality map, and process these two levels using different algorithms. Compared with the traditional flood-fill algorithm, we can get the accurate result while the consuming time of the phase unwrapping process is much less by using the proposed method. Simulation and experiment results verify that the 3D information of the measured object can be obtained rapidly and accurately by using the proposed method. Also the dynamic object can be measured too.     

相位编码条纹投影轮廓术的相位展开误差校正方法

相位编码法是条纹投影技术中常用的一种相位展开方法。然而，受到随机噪声、图像采样、系统离焦等因素的影响，条纹阶次与包裹相位的对应关系容易被破坏，从而引入相位展开误差。根据相位展开误差的分布特点，提出一种附加二值条纹的相位展开误差校正方法。引入的二值条纹与相位编码条纹的码字存在半周期错位，使得计算出的2组条纹阶次值具有互补性，利用两者的互补性可以有效地消除相位展开误差。仿真和真实实验均表明，该方法能够准确地恢复出被测物体的绝对相位，具有较高的可靠性。     

Complex-amplitude-based phase unwrapping method for digital holographic microscopy

A complex-amplitude-based phase unwrapping approach for digital holographic microscopy is proposed in this paper. A quality map is derived directly from the reconstructed complex amplitude distribution of object wave to evaluate noise influence and phase reliability in the wrapped phase image. Quality-guided phase unwrapping algorithm is then implemented with the quality map to retrieve continuous phase profile. Unwrapping errors caused by unreliable phase data are successfully suppressed. The effectiveness of this method is demonstrated with simulation and experimental results.     

扩大人眼波前像差仪测量范围方法的研究

提出了一种扩大人眼波前像差仪测量范围的方法,该法综合了波前重建展开算法和波前探测的模板技术,大幅度扩大了波前测量范围.在待测波前像差超出展开算法测量范围的情况下,此方法仍能对像差正常测量.与模板技术相比,该法大幅扩大了可测的曲率范围.以球面波前入射的实验数据表明,所提出的新方法所能测量的最小曲率半径由模板法的75 mm降低到10 mm,并且由于本方法突破了展开算法的极限,实际上对局部曲率更高的波前仍可测量.     

条纹图象的数字化自动分析处理技术之二:相位分析法

相位分析法是目前光学条纹图象数字化自动分析处理中的最重要方法之一。本文较全面地介绍了相位分析技术,并对相位分析的关键技术--相位的滤波和解包络方法做了重点说明。文中给出了相位解包络的实例并讨论了图象数字化自动分析处理技术的实际应用状况。     

光学干涉图像处理中基于质量权值的离散余弦变换解包裹相位

为减少噪声对相位恢复过程的影响,快速得到正确的解包裹相位,提出了一种改进的相位解包裹方法——加权离散余弦变换解包裹算法。该方法把离散余弦变换和标识相位数据好坏的质量权值结合起来,兼有速度快和可靠度高的优势。为验证此算法,对模拟和实验得到的包裹相位图添加随机噪声和散粒噪声,同时采用加权与非加权离散余弦变换算法进行处理,所得到的解包裹结果与未加噪声的解包裹相位值进行比较,结果表明,通过加权离散余弦变换算法恢复的相位图比非加权离散余弦变换算法所恢复的相位图更接近于理想值,而且两种算法的运行速度基本相同,这证明提出的算法不仅保证了效率高的优点,而且所恢复的解包裹相位具有较好的噪声免疫能力和可靠度。     

Phase unwrapping algorithms, respectively, based on path-following and discrete cosine transform

This paper describes a path-following phase unwrapping algorithm and a phase unwrapping algorithm based on discrete cosine transform (DCT) which accelerates the computation and suppresses the propagation of noise. Through analysis of fringe pattern with serious noises simulated in mathematic model, we make a contrast between path-following algorithm and DCT algorithm. The advantages and disadvantages of analytical fringe pattern are also given through comparison of two algorithms. Three-dimensional experimental results have been given to prove the validity of these algorithms. Despite DCT phase unwrapping technique robustness and speed in some cases, it cannot be unwrapping inconsistencies phase. The path-following algorithm can be used in automation analysis of fringe patterns with little influence of noise.     

Phase unwrapping with regularized phase-tracking technique based on simulated annealing algorithm

We propose an improved regularized phase-tracking (RPT) technique for unwrapping two-dimensional principal phase maps. The size of the neighborhood selected for plane approximation at each pixel is adjustable according to local noise severity. In the area of low noise, the size is small to improve processing speed. On the contrary, a neighborhood with large size is selected to enhance the noise-reduced ability in the high-noisy area. Further, simulated annealing (SA) algorithm is applied to RPT technique for finding the global optimum solutions. Numerical simulation proves that this SA-based RPT phase unwrapping technique is highly robust to noise and experimental results also show its feasibility in practical applications.