双频光栅傅里叶变换轮廓术频谱混叠研究

讨论了用双频光栅方法对包含突变成份的物体产生的变形条纹进行傅里叶变换时,可能会出现频谱混叠问题.推出了低频光栅的频谱f1与高频光栅的频谱f2不相互混叠的条件,分析了探测器非线性会引起同一光栅间频谱发生混叠情况.考虑到通常情况下低频光栅频谱f1与高频光栅频谱f2的混叠起主要作用,因此在该情况下用计算机仿真与实验验证了：当f2<2f1时,f1与f2相互混叠,物体面形难以恢复;当f2>2f1时,f1与f2不相互混叠,物体面形恢复得很好.     

双频光栅傅里叶变换轮廓术频谱混叠研究

讨论了用双频光栅方法对包含突变成份的物体产生的变形条纹进行傅里叶变换时,可能会出现频谱混叠问题.推出了低频光栅的频谱f1与高频光栅的频谱f2不相互混叠的条件,分析了探测器非线性会引起同一光栅间频谱发生混叠情况.考虑到通常情况下低频光栅频谱f1与高频光栅频谱f2的混叠起主要作用,因此在该情况下用计算机仿真与实验验证了:当f2<2f1时,f1与f2相互混叠,物体面形难以恢复;当f2>2f1时,f1与f2不相互混叠,物体面形恢复得很好.     

CCD抽样对傅里叶变换轮廓术的影响

从傅里叶变换轮廓术(FTP)原理入手,分析了傅里叶变换过程中频谱的产生,给出了CCD像元信号强度及其经抽样后的变形条纹的表达式,得出了变形条纹的傅里叶频谱式,其频谱是原连续函数的频谱在频域内的无限重复,即"频谱岛"。频谱中除了基频外,还产生了二级、三级等的高级频谱。给出了抽样条件及满足抽样条件的方法:当抽样频率与光栅基频的比值m>4时可以恢复物体的面形,反之不能;减小抽样间隔可以使m>4。给出了实验结果:当m=2.0883时,物体面形没有恢复;当m=16.6667时,物体面形得到了恢复。实验结果证明了理论分析的正确性。     

傅里叶变换轮廓术中频谱泄漏的讨论

讨论了频谱泄漏对傅里叶变换轮廓术测量精度的影响。由于用傅里叶变换轮廓术进行三维面形测量时 ,测得的变形光场是空间有限函数 ,故离散傅里叶变换时先要进行周期拓展 ,如果拓展周期选择不当 ,拓展后的条纹将不连续 ,对之进行傅里叶变换会产生频谱泄漏。文章从理论上推导了拓展周期与变形结构光场频谱泄漏之间的关系 ,给出了由泄漏引起的视场边缘误差的计算模型和定量分析。提出采用条纹外插以减小泄漏误差的方法 ,计算机模拟及初步实验证实了该方法的有效性。     

傅里叶变换轮廓要中频谱泄漏的讨论

讨论了频谱泄漏对傅里叶变换轮廓术测量精度的影响.由于用傅里叶变换轮廓术进行三维面形测量时,测得的变形光场是空间有限函数,故离散傅里叶变换时先要进行周期拓展,如果拓展周期选择不当,拓展后的条纹将不连续,对之进行傅里叶变换会产生频谱泄漏.文章从理论上推导了拓展周期与变形结构光场频谱泄漏之间的关系.给出了由泄漏引起的视场边缘误差的计算模型和定量分析.提出采用条纹外插以减小泄漏误差的方法,计算机模拟及初步实验证实了该方法的有效性.     

傅里叶变换轮廓术中基于经验模态分解抑制零频的方法

为了消除傅里叶变换轮廓术中零频成分的扩展对测量范围和精度的影响,将经验模态分解方法引入到傅里叶变换轮廓术中,对变形条纹图进行经验模态分解,将条纹图分解为一系列的从高频到低频排列的固有模态函数,达到将高频成分和低频成分相分离的目的,用以消除零频成分,提高测量范围.同采用相移消除零频成分的技术相比,此方法只需要一帧条纹图,测量装置简单、实时性强、计算速度快.文中给出了理论分析和实验验证.     

改进傅里叶变换轮廓术的测量算法研究

提出一种适用于更普遍情况的计算方法.推导了投影装置与成像装置双瞳不等高且双轴不共面时的条纹获取公式.推导出新的相位获取公式以及相位高度映射公式.使得系统可以在双瞳连线不平行参考面,且双光轴也不共面时进行正确的三维测量.与传统的傅里叶变换轮廓术(FTP)相比,该算法实验系统的搭建更容易,投影装置和成像装置的摆放位置町以随意移动以方便全场条纹的获取;与改进的傅里叶变换轮廓术(IFTP)相比,只需要对系统测量三个长度量,系统参量的获取更容易和准确,从而误差变小,测量结果更加接近真实.     

傅里叶变换轮廓术定标实验研究

基于傅里叶轮廓变换术,研究对三维相位图进行定标,即标定调制相位与高度的定量关系的方法.首先,推导实验用的高度与调制相位的定标公式;然后,使用周期为3个像素的光栅条纹,以高度问隔分别为50μm,1 mm,2 mm,5 mm进行定标实验,并应用定标公式对沿高度方向的包裹相位进行解包.     

傅里叶变换轮廓术中滤波窗方位选择研究

在傅里叶变换轮廓术频域滤波过程中通常采用不对称的汉宁窗滤波窗来提取基频信号,当投影呈二维变化的光栅条纹时,采用的滤波窗长短轴方向和载频方向不吻合,会导致被测物体的部分高频信息丢失,从而影响相位展开的难易程度和系统测量的精度。分析比较物体高度的分布与频谱的关系,通过旋转滤波窗使其短轴方向与载频方向一致,可以保留物体的高频信息,降低相位展开的复杂度,提高测量的精确度。计算机模拟和实物实验结果表明滤波窗旋转滤波可以避免相位展开在物体高度突变处的出错,有效地提高测量精度。     

基准光栅重构傅里叶变换轮廓术

应用傅里叶轮廓变换术进行三维形貌测量中,为了获得待测物体的高度相位信息,通常需要采集两幅图像.因此当光学系统发牛变动时,必须重新采集基准光栅图像,不利于快速测量.提出一种从变形光栅图像中获取基准光栅图像信息的测量方法.首先在变形光栅图像中记录基准光栅信息,然后通过傅里叶分析提取基准光栅频率信息,通过图像分析获得基准光栅相位信息,最后重构出一幅完整的基准光栅图像,实现三维物体形貌测量.实验结果验证了该方法的可行的.     

Effect of the nonlinearity of the CCD in Fourier transform profilometry on spectrum overlapping and measurement accuracy

In Fourier transform profilometry (FTP), we must restrain spectrum overlapping caused by the nonlinearity of the charge coupled device (CCD) and increase the measurement accuracy of the object shape. Firstly, the causes of producing higher-order spectrum components and inducing spectrum overlapping are analysed theoretically, and a simple physical explanation and analytical deduction are given. Secondly, aiming to suppress spectrum overlapping and improve measurement accuracy, the influence of spatial carrier frequency of projection grating on them is analysed. A method of increasing the spatial carrier frequency of projection grating to restrain or reduce the spectrum overlapping significantly is proposed. We then analyze the mechanism of how the spectrum overlapping is reduced. Finally, the simulation results and experimental measurements verify the correction of the proposed theory and method.     

Error analysis about CCD sampling in Fourier transform profilometry

The influence of sampling caused by 2-D solid-state image sensors (CCD) in FTP is discussed in this paper. As we all know, discrete fringe patterns processed by computer are obtained through two samplings. The first one is accomplished in the CCD image plane, and the second is accomplished in A/D convertor of frame grabber. In the previous analysis, sampling is just regarded as a point-sampling process because of ignoring the actual sensor structure of a CCD in the sampling process. Here we discuss the influence of the sensor structure of CCD in FTP, especially the influence from the light-sensitive area size variation. Certain formulas about sampling influence are given, and some simulations and a primary experimental demonstration are carried out to verify our analysis.     

Effect of the nonlinearity of CCD in Fourier transform profilometry on spectrum overlapping and measurement accuracy

In Fourier transform profilometry (FTP), we must restrain spectrum overlapping caused by the nonlinearity of charge coupled device (CCD) and increase the measurement accuracy of object shape. Firstly, the causes of producing higher-order spectrum components and inducing spectrum overlapping are analysed theoretically, and simple physical explanation and analytical deduction are given. Secondly, aiming to suppress spectrum overlapping and improve measurement accuracy, the influence of spatial carrier frequency of projection grating on them is analysed. A method of increasing the spatial carrier frequency of projection grating to restrain or reduce the spectrum overlapping significantly is proposed. We then analyze the mechanism of how the spectrum overlapping is reduced. Finally, the simulation results and experimental measurements verify the correction of the theory and method proposed.     

小波相位解调轮廓术

针对傅里叶变换轮廓术因混频难以准确提取基频的问题,可将小波变换用于三维形貌相位直接解调。对其原理进行了研究,通过编程实现了小波相位解调。取Morlet复小波作为小波母函数,对调制栅线图逐行进行连续小波变换,从各位置的沿尺度方向的小波变换系数幅值的极值中可直接求取对应的相位数据。由于小波函数具有空域_频率两域的局部化特性,因此它对变形栅具有很强的自适应能力。为验证新方法,对其进行了仿真分析,同时还对石膏半球模型和化妆品瓶进行了实际测量,并分别用傅里叶变换和小波变换进行了处理。结果表明,新方法有效地克服了混频的问题,改善了相位解调效果,提高了测量精度,特别适合于复杂物体的形貌测量。     

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。     

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。     

基于快速傅里叶变换的实时相移校正算法

在相移测量剖面术（ＰＭＰ）中,提出了一种基于快速傅里叶变换的相移校正算法,利用最初多采的一幅条纹图的信息和傅里叶变换调制度模板,快速地计算出当前的相移值。采用该算法,能实时准确地控制投影光栅的移动,大大提高了测量系统的工和自动化程度,具有极大的实用价值。