基于位相测量轮廓术的三维数字化仪的实验研究

介绍了基于位相测量轮廓术的三维数字化仪的原理和系统结构 ,阐述了一种有效的三维数字化方法。该方法具有精度高、速度快、可实现自动测量等特点。     

大动态范围形变测量

本文对激光散斑物体轮廓及形变测量和相移轮廓测量原理进行类比,首次提出大动态范围物体三维轮廓及形变测量方法。该方法具有测量原理简单、系统操作简便、测量精度高、测量动态范围大等特点,形变测量范围从亚微米级到毫米级。另外本文还推导了基于减模式激光散斑物体轮廓及形变测量的相位值计算公式。     

基于数字彩色结构光投影的唇动三维测量

提出了基于数字彩色结构光投影的动态三维测量轮廓术,用于人在讲话过程中嘴唇的三维测量。介绍了彩色编码轮廓术的基本原理,再通过分色和条纹细化处理,实现了对动态不连续嘴唇的测量。实验验证了测量方案的有效性。     

用于数字条纹轮廓术的一种基于广义分析模型的后滤波方法

由于数字投影和采集系统的非线性失真,传统的方法通常需对采集到的条纹进行低通或带通滤波从而抑制高次谐波并获取基频分量。基于广义分析模型针对数字条纹轮廓术提出一种对测量后的物体形貌进行后滤波的算法,消除了非线性失真对测量结果所造成的影响并提高了数字条纹轮廓术的测量精度。论述了条纹轮廓术的原理和广义分析模型,分析推导出后滤波算法。仿真和实验结果表明,后滤波方法能够快速准确地实现基于数字投影的三维形貌重建。     

双探头三维表面轮廓测量系统

提出了一种将原子力显微(AFM)探头与位置敏感探测器测距探头相结合的双探头三维表面轮廓测量新方法, 可在获取样品表面轮廓的同时, 测定样品局部形貌。搭建了双探头三维表面轮廓测量系统, 阐述了系统的工作原理, 并对其结构组成包括双探头、步进扫描台和计算机控制平台进行了说明。用2000 line/mm的光栅进行了扫描实验, 对系统的测量范围进行了标定。以外径8 mm、内径4 mm的金属垫圈为样品, 进行了整体三维表面轮廓与局部表面形貌测量实验, 给出了垫圈表面图和局部三维形貌图。结果表明, 该系统能满足不同尺寸和材质的样品的测量要求, 即可实现对样品轮廓的大范围扫描测量, 又可对样品局部进行高精度形貌测量。     

线性结构光编码的三维轮廓术

提出一种新的光学轮廓术－线性编码轮廓术，它利用周期线性结构光编码三维物面，并辅以相移技术来解调相位。本文详细给出了线性编码轮廓术的原理，并通过实验验证了其可行性。     

点光源下的Talbot效应在阴影叠栅中的应用

传统的阴影叠栅轮廓术的测量深度十分有限。根据点光源照明下Talbot自成像的空间分布规律,提出将点光源下的Talbot效应应用于阴影叠栅三维轮廓测量的方法。推导点光源模型下阴影叠栅测量系统中相机接收到的光强随物体到光栅距离变化的数学表达式。数值模拟和实验表明,相对于传统的阴影叠栅轮廓术,利用Talbot效应会大大增加阴影叠栅轮廓术的测量深度。分别使用文中所提出的方法和传统的阴影叠栅轮廓术对同一物体表面进行测量,两次测量结果之差在±5μm内。说明将点光源下的Talbot效应应用于阴影叠栅轮廓测量能够准确地反映物体表面的三维形貌。     

用于动态测量的双通道光学相位测量轮廓术

提出了利用编码光两个采样值实现相位测量轮廓术的原理。设计了一种偏振分光双通道测量系统，实现了两个采样值的同时记录，因而实现了动态测量，拓展了相位测量轮廓术的应用范围。文中给出了实验结果。     

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。     

A flexible fast 3D profilometry based on modulation measurement

This paper proposes a flexible fast profilometry based on modulation measurement. Two orthogonal gratings through a beam splitter are vertically projected on an object surface, and the measured object is placed between the imaging planes of the two gratings. Then the image of the object surface modulated by the orthogonal gratings can be obtained by a CCD camera in the same direction as the grating projection. This image is processed by the operations consisting of performing the Fourier transform, spatial frequency filtering and inverse Fourier transform. Using the modulation distributions of two grating patterns, we can reconstruct the 3D shape of the object. In the measurement process, we only need to capture one fringe pattern, so it is faster than the MMP and remains the advantages of it. In the article, the principle of this method, the setup of the measurement system, some simulations and primary experiment results are given. The simulative and experimental result proves it can restore the 3D shape of the complex object fast and comparatively accurate. Because only one fringe pattern is needed in the testing, our method has a promising extensive application prospect in real-time acquiring and dynamic measurement of 3D data of complex objects.     

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。     

Fringe pattern correlator for three-dimensional object recognition

We propose a novel three-dimensional (3-D) object-recognition method based on a Fourier-transform profilometry technique and a two-dimensional (2-D) correlation technique. Height information on 3-D objects is transformed to phase information on 2-D complex amplitude by use of the Fourier-transform profilometry technique. 3-D objects are recognized using correlation by use of the transformed complex amplitude.     

采用剪切干涉和虚拟光栅的三维形貌检测

本文提出一种新型三维形貌测量方法,该方法通过投影装置将剪切干涉条纹投射到物体表面,以获取调制光栅图。采用相位法,由计算机生成虚拟接收光栅,从一幅调制光栅图重建物体形貌。文中给出了实验结果和性能分析。     

简化的三维体轮廓测量术

基于直接条纺位移分析的三维测量具有简单，快速，精确的特点，本给出了该方法的光学调制和计算机解调原理，以及用该方法进行简单三维测量的主要步骤。     

位错点阵投影的三维数字成像

提出一种基于位错点阵投影的三维数字成像方法。该方法以二维点阵结构光顺序照明参考平面和被测物体表面,通过分析分别投影在参考平面和物体上的点阵的成像过程,建立投射在参考平面和被测物体表面上的点阵中同一点在成像面上横向位置错动与被测物体深度之间的数学模型。依据此模型,通过计算相对应点在成像平面上的横向位移。可计算出物体的深度图像。二维点阵可以在垂直于光轴的平面内做横向和纵向的两维移动,以填补由于离散而丢失的其他空间点的深度信息,获得高空间分辨率。实验验证了该方法的可行性,此方法对于拓扑复杂的表面和大梯度表面有较强的适应性。     

3-D object profilometry based on direct fringe displacement analysis

A simple, fast and accurate method for 3-D object profilometry is proposed and verified by simulation and experiment. The profilometry method is based on the principle that the height data of a measured object can be obtained from the relevant fringe displacement, which in turn can be obtained by determining the precise position of the fringe center on the reference plane and on the object's surface. With the aid of a fringe skeleton extraction technique, the 3-D information can be acquired even from those images in which some fringes are squeezed, interrupted or shadowed.     

一种用于三维面形测量的新的去包裹方法

本文提出一种可用于三维面形测量的新的去包裹方法。它在原有传统去包裹的基础上提出分割线的方法,能够正确标出应该参与去包裹的象素点及由噪音造成的相位不连续点,因而,在相位图存在噪音及信噪比较低的情况下仍旧可以得到正确且唯一的去包裹相位值。在三维面形测量中,去包裹后的相位值可以真实反映待测物体的面形,因此有很大的理论价值及实际意义。     

调制度测量轮廓术的系统标定

调制度测量轮廓术是一种采用垂直测量方式的三维面形测量方法,可以测量表面有剧烈变化区域的复杂物体。提出了一种基于调制度测量轮廓术测量系统的标定方法,其纵向标定是利用几个相互平行的标定平面建立与CCD像面各像素点对应的测量高度与实际高度之间的映射关系,并利用映射关系确定每一像素点对应的映射关系系数,然后建立映射关系系数查找表,存人测量系统中,完成纵向标定。首先分析了测量系统的误差来源,然后给出了标定方法和标定过程,最后给出了实测结果。结果表明,利用提出的系统标定方法可以有效消除调制度测量轮廓术测量系统误差,显著地提高了系统测量精度。     

基于双声光偏转器的变频三维数字成像

提出了一种基于双声光偏转器的时序变频三维数字成像系统.此系统可以实时产生并投射具有不同空间频率的条纹结构光序列照明被测物体,可以以视频速率完成任意形状物体的三维传感.整体系统采用全固态结构,无任何机械运动部件,具有高精度、全场测量、动态可编程、普适性好等特点.给出了该三维数字成像系统对一个台阶状物体形貌测量的应用实例.结果证明DAOP对于解决具有复杂几何形状或拓扑结构物体的三维形貌测量问题是一种有效技术.