基于傅里叶变换轮廓术方法的复杂物体三维面形测量

提出一种在数字加权滤波和调制度分析基础上形成可靠性控制模板，并按可靠度排序进行位相展开的新方法，该法用于傅里叶变换轮廓术中，可以兼顾所求位相精度和位相展开的可靠度，适合复杂物体面形的测量，给出了傅里叶变换轮廓术对复杂物体面形测量的应用实例。     

一种快速的调制度测量轮廓术

调制度测量轮廓术是一种垂直测量的三维面形测量方法,可以测量表面有剧烈变化的复杂物体.提出了一种基于正交方向空问载频的快速调制度测量轮廓术.该方法将两个具有一定间距且正交的正弦光栅同时成像在被测物体上,并使被测物体位于两个光栅成像面之间.采用空间频域滤波将正交光栅图像分离,得到被测物体经正交光栅调制的两个调制度图像,利用其比值和高度的对应关系恢复出物体高度.该方法只需采集一幅图像,即可恢复出物体高度,具有三维信息实时采集的特点.实验结果表明,利用该方法可以快速且较为准确地恢复出物体的高度信息.     

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。     

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.     

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。     

小波变换在调制度测量轮廓术中的应用

基于调制度分析的光学垂直测量技术利用投影和成像共轴,可以有效地解决复杂物体和台阶状物体测量时所存在的遮挡、阴影等问题.该方法不需要截断相位计算和相位展开过程,只需解算条纹的调制度分布就能得到被测物体的三维面形,已成为广泛应用的光学三维检测方法.针对基于傅里叶变换方法的垂直扫描测量技术存在的问题,利用小波变换的局部和多分辨率特性,将小波分析技术用于调制度测量轮廓术中,提高了每个扫描位置获取单帧条纹的调制度测量的精度.推导了调制度和小波系数之间的关系,计算机模拟和实验均验证了方法的有效性.     

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。     

基于投影栅线法测量物体三维轮廓的一点改进

研究了利用投影栅线法测量光滑鼠标的三维轮廓。对传统的傅里叶变换轮廓术提出了一点改进,在傅里叶变换之后,不对频谱部分频移,而是直接滤出需要的高、低频部分,再分别进行傅里叶逆变换,就可以得到与高度有关的相位差。该方法与传统的方法相比,减少了3次频移的过程,大大减少了计算量,也提高了滤波的精度。实验结果表明:只需要0.1 s就可以完成测量过程,测量精度达到0.2 mm, 可以成功实现光滑物体的三维轮廓测量。     

Gerchberg迭代法在三维面形测量中的应用

在基于结构光照明的三维面形测量中,针对有孤立区域物体的条纹图像存在不规则缺陷的问题,提出先对其进行Gerchberg迭代,消除或减少条纹缺陷,获取较完善的迭代条纹,然后再利用傅里叶变换轮廓术(FTP)重建面形。设计了迭代流程,并分析了影响迭代精度的因素,解决了光学加工用具磨盘表面不完善条纹Gerchberg迭代过程中存在的问题,成功地重建了磨盘的三维面形。该工作为表面存在孤立区域的被测物体三维面形测量提供了可供参考的技术方案,也给可实时形变的应力盘三维面形动态测量奠定了基础。     

基于调制度测量的三维轮廓术

介绍了基于调制度测量的三维轮廓术的测量方法的原理和过程,并给出了实物测量。结果证明它在原理上是正确的、可行的、。此方法对三维轮廓术、三维传感及机器视觉的应用具有重要意义。     

多光刀三维轮廓快速测量方法研究

提出了一种三维自由曲面多光刀快速测量方案,阐述了此方法的测量原理,讨论了多光刀阵列的实现方法,分析了影响其测试精度的主要因素.提出了采用虚拟网格标定法对各光刀分别进行标定,以及运用光刀编码的方法实现对复杂自由曲面测量的方法,结果表明:该方法是一种快速有效的三维轮廓测量方法.     

动态像面法测量水面落点位置及误差分析

为了测量弹丸水面落点的位置, 建立了基于CCD相机动态像面的测量模型。该模型通过CCD相机辅助采集相关点位的图像信息, 对水面落点的位置函数以及误差进行了研究。首先, 利用空间几何获得靶船上三定点相对于测量船的方位、俯仰信息。接着, 结合t时刻观测图像上定点的像面坐标, 运用底片常数模型建立像面坐标和角度信息两套参量之间的关系函数, 从而得到目标落点的方位、俯仰信息, 再利用异面交会法计算出目标落点位置。最后, 分析了目标落点位置的误差来源(质心误差, 位置误差)、误差以及各误差源与位置坐标之间的关系。实验结果表明:在测量船位置精度达到0.05 m, 图像质心定位精度达到0.5 pixel时, 在最小交会误差的情况下, 目标落点的位置测量误差分别为2.8, 4.9, 4.3 m。     

Optical 3-D dynamic measurement system and its application to polymer membrane inflation tests

An optical surface measurement system, which is capable of measuring transient surface shape, has been developed by using a high-speed digital camera. The system is based on the grating projection and Fourier transform technique. A calibration procedure is developed to allow the system to generate Cartesian coordinates directly, which are with respect to a fixed coordinate system in 3-D space. The measurement accuracy (±50 μm) is defined and verified as the maximum error between measured values and the known values of standard objects both flat and curved. The camera and a grating projector are mounted into a portable sensor head to allow in situ measurements. In addition, external force or pressure signals can be correlated with each measurement through a device called the multi-channel data link. The system is capable of digitizing a 3-D curved surface into an array of points with known xyz coordinates at a sampling rate from 30 to 1000 Hz. As an application, the system is used to measure the transient surface shape during a polymer membrane inflation test. The measurement results along with the pressure information provide an approach to determine the material parameters used in different material models.     

Comparison of eight unwrapping algorithms applied to Fourier-transform profilometry

Phase unwrapping is a task common to many applications like interferometry imaging, medical magnetic resonance imaging, solid-state physics, etc. Fourier transform profilometry (FTP) values the height distribution of object, elaborating the interference between a plane reference grating and a deformed object grating. Since the height information is extracted from the phase of a complex function, the phase unwrapping is a critical step of the process. Several unwrapping algorithms are proposed in literature, but applied to measurement technologies different from FTP. The purpose of this paper is to define the performances of eight different unwrapping algorithms applied to FTP optical scan method and to define the best one. The algorithms chosen are: Goldstein's algorithm, quality guided path following method, Mask cut method, Flynn's method, multi-grid method, weighted multi-grid method, preconditioned conjugate gradient method and minimum L_p-norm method. The methods were tested on real images acquired by a FTP scanner developed and calibrated for these experiments. The objects used vary from simple geometries, like planes and cylinders, to complex shapes of common use objects. Algorithms were qualified considering the phase unwrapping errors, execution time and accuracy of the shape of objects obtained from the scan method in comparison with real ones. The results show that quality guided algorithm best fits in FTP application.     

Fiber-optic Based Scanning Confocal Microscopic Interferometer for the Measurement of Surface Topography

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｒｅｉｓａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅｏｂｊｅｃｔｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｓｈａｐｅｗｉｔｈｓｔｅｅｐｓｕｒｆａｃｅｓｌｏｐｅｓ .Ｔｈｅｓｔｙｌｕｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｓｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ ,ｂｕｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｉｓｌｉｍｉｔｅｄｄｕｅｔｏｉｔｓｃｏｎ…     

Fiber-optic Based Scanning Confocal Microscopic Interferometer for the Measurement of Surface Topography

A fiber-optic based scanning confocal microscopic interferometer with digital feedback is developed for the precise measurement of the surface topography on a large-scale object of complex shape with steep surface slopes. Theoretical analysis on interference formation demonstrates the confocal characteristic of the proposed interferometer along its measurement path. Experimental results confirm the spatial resolution of the measuring system to be within 1 μm and the measurement accuracy to be better than 5 nm.     

光纤式内表面检测与自适应采样方法的研究

提出一种用于复杂内轮廓表面检测的新型单模光纤传感器 ,建立了镜面反射条件下的数学模型。根据轮辐式设计的二维光纤阵列探头结构 ,不仅可以得到被测点处的高度信息 ,还可同时得到倾斜信息 ,有效地解决了高度测量时表面倾斜给测量带来的影响。能对光源波动、表面反射率变化等引起的测量信号不稳定问题起到一定的补偿作用。为了提高采样效率 ,提出了一种曲线外插估计法 ,给出下一个测量点的位置。实验结果表明该方法能够有效地应用于逆向工程中产品内表面的检测之中     

基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法

在现有的针对复杂物体表面形貌的三维测量方法中, 为了完成绝对相位的测量, 通常需要处理至少6幅条纹图像, 限制了测量速度。提出了采用2幅正弦条纹和2幅三角波条纹图来获得物体三维形貌的方法。利用两步相移正弦条纹和两步相移三角条纹得到截断相位, 再利用两步相移三角波条纹得到条纹级次, 减少了投影条纹幅数, 提高测量速度。在得到条纹级次时, 计算三角波条纹强度调制和强度对比度, 与计算相位相比, 可以减少数据处理的时间, 进一步提高测量速度, 同时能减小物体表面反射率的影响, 提高了测量精度。测量最大高度为39 mm的阶梯状标准块, 得到的最大绝对误差和最大的RMS误差分别为0.045 mm和0.041 mm。验证了该方法的有效性和实用性, 在高速实时的复杂形貌三维测量中有广泛的应用前景。