新型移相量块干涉仪的研制

研制了一台用于0.5~100 mm量块测量的新型移相量块干涉仪,分别以波长为633 nm和543 nm的两台稳频激光器作为测量光源,通过一根单模光纤引入到干涉仪内。高精密移相器实现5步移相干涉测量,CCD相机采集干涉条纹并计算干涉条纹小数,被测量块长度采用多波长的小数重合法计算。移相量块干涉仪的测量不确定度达到U=0.015μm+0.07×10^(-6)L(L为量块长度,mm)。

任意边界形状物体的三维轮廓测量

利用四步移相三维轮廓测量技术对任意边界形状物体的三维轮廓进行了测量.建立了光学传感三维面型测量实验系统,将4组不同位相值的正弦光栅条纹依次投影到被测物体的表面,用CCD摄像机记录这4帧条纹图,计算出物体表面每个像素点的包裹位相值.用封闭的折线选取物体上需要展开的表面区域,在所形成的任意形状多边形内用洪水填充法进行位相解包裹,不需要将整个图像划分为多个矩形区域进行逐一计算,不仅避免了展开相位时产生的传递误差,而且节省了大量计算工作.

基于C8051F340的三维测量仪器开发

根据投影栅相位轮廓术的四步相移法开发三维测量仪器,介绍仪器的测量原理,设计光学投影系统、相移机构及图像采集模块来实现四步相移法,利用C8051F340单片机搭建硬件控制平台并开发了相应的控制软件。研制出一台三维测量仪器,完全满足工业及相关三维测量的需求。仪器具有体积小、操作方便、测量速度快、精度高的优点,并且是基于USB接口的数据通信,易于移动。

基于小波变换的光栅投影图的压缩

研究了基于小波变换的光栅投影图的压缩．首先介绍了三维形貌测量的光栅投影图及 其需要进行压缩的原因;简介可用于图像压缩的小波余弦变换技术,利用haar小波和db7小波对 光栅投影图进行小波变换．按照不同的压缩比保留最大的小波系数．实验结果表明此方法能有效 地压缩光栅投影图,使用压缩后还原的位相图解调出来的物体形貌信息能得到有效的保留,而且 使用不同的小波进行压缩变换的效果有着很大的区别．

有损压缩JPEG在相移法位相解调的应用评估

探讨了基于JPEG的有损压缩方法在相移法位相解调中的应用前景。简介了当今流行的JPEG有损压缩技术和相移技术。针对三维测量中的相移技术,使用专业软件对四步相移法中拍摄的图像进行各种压缩比的压缩,解压后再解调出相位,与未经压缩的原图解调出的相位进行比较。指出图像的压缩对于相位的解调是有影响的,尤其是对于图像的边缘部分,变化较大,噪声较强,压缩丢失信息,解压后解调出的相位误差较大,但随着压缩比的下降,压缩质量的提高,解调出的相位误差不断下降。

基于离散余弦变换的光栅投影图的压缩研究

文中研究了基于离散余弦变换的光栅投影图的压缩。首先介绍了三维形貌测量的光栅投影图,及其需要进行压缩的原因。接着讨论了可用于图像压缩的离散余弦变换技术,推导出对于光栅图进行离散余弦变换只保留第一列或第一行系数就可以完整重构光栅图的结论。利用此结论创建用于压缩的二值掩模矩阵,并对光栅投影图之一的位相图进行基于离散余弦变换的压缩。实验结果表明此方法能有效地压缩位相图,使用压缩后还原的位相图解调出来的物体形貌信息能得到有效的保留。

一种快速求解整周模糊度的方法

针对FARA方法搜索整周模糊度组合数比较大,LAMBDA方法需要浮点解精度比较高的缺点,提出一种求解GPS载波相位测量整周模糊度的分步法。用LAMBDA方法搜索出来的整周模糊度作为FARA方法的初始解,进而用FARA方法解算出它的最终解。实验结果表明,该方法能缩短搜索整周模糊度的时间,快速准确地确定整周模糊度。

激光投影和四步移相法在微型元件测量中的应用与实现

采用微型激光投影技术产生干涉条纹,结合CCD传感器采集图像数据,通过整合四步相位移动测量方法,测量微小元件高度、面积和体积。针对不同的材质使用多波长激光干涉条纹,提高微小元件三维形貌测量的精度。通过Savitzky-Golay滤波器改善测量过程中的系统误差,对微小元件形貌测量可以达到微米级的分辨率。实验证明,激光投影和四步移相测量法在微型元件中平均测量误差可以达到±10μm,具有很高的实用价值。

基于系统非线性校正与滤波的相位测量

相位测量系统中投影仪输出与CCD输入变形条纹光强之间的非线性导致频谱混叠,影响测量精度,为了消除他们之间的非线性关系,提高相位测量精度,分析了系统非线性产生的基本原因,提出了一种基于系统非线性校正与滤波的相位测量方法.首先校正由投影仪中伽马畸变产生的系统非线性,然后采用低通滤波器对校正后输出的频谱进行滤波,只保留频谱中的基频成份,最后采用四步相移法对变形条纹进行相位测量.MATLAB仿真与实际实验结果表明,所提方法的系统非线性校正与滤波效果较好,有助于提高相位测量精度.

多频光栅物体高精度廓形三维测量及重建研究

针对目前实际系统中,由于噪声的存在,单频光栅逐点解相时无法获得全场相位值,导致对廓形复杂、体积小物体的重建精度低,提出多频结构光栅投影实现体积较小、形貌复杂物体的高精度重建。系统算法基于随时间序列变化改进的四步相移法对多频光栅进行解相,多频光栅解相是对每种频率的光栅单独展开相位,每种频率的光栅解相是逐点进行的,单频光栅中因噪声得到不连续的相位可通过其他频率光栅拟合修补,得到一个全场范围内连续的相位。经实验单频结构光测量体积小、形貌复杂物体的误差范围为0.1 mm^0.5 mm,而文中所提出方法精度达到了0.03 mm^0.05 mm,该方法精度提高了10倍左右。

基于DLP三维精密检测系统的凹印油墨高度测量

针对工业应用中三维重建的高精度难点问题,结合DLP数字投影仪光三维测量系统结构,提出了一种NON-K算法,解决了工业应用中三维高精度、高效率测量的问题,并通过对人民币盲文图像测量数据的结果分析,得出本系统对于精密三维高度检测的优越性。本检测系统利用数字投影仪投射相位移条纹,通过对相位移条纹的解码分析,结合几何光学的原理,测量得出被检测物体的三维高度信息。用四步法生成相位移条纹,并详细阐述了算法的步骤和原理。针对相位移条纹的相位突变点问题,引出了NON-K算法,此算法在使用中解决了多次循环造成的算法时间较长等问题,且算法简便可高效应用于工业检测中。其次详细阐述了系统的结构和应用流程,检测系统结构主要包括DLP数字投影仪、500万Gig E千兆网相机、工业镜头等。

一种应用相移法的三维形貌测量方法

为了测量物体的三维形貌,通过投射正弦光栅,采用四步相移法求得包裹相位;运用质量引导路径解包裹方法对包裹相位进行解包裹处理,得到正确的相位值;最后通过三维重建获得物体的三维形貌。用人脸面具进行试验。结果表明:通过该方法能正确、清晰地呈现所测物体的三维形貌特征。

基于机器视觉的镜面面形检测算法研究与应用

针对大面积镜面面形测量,提出了基于机器视觉与镜面条纹反射的面形精密测量、三维重建和面形拼接算法,并设计了面形检测系统。该系统采用相机拍摄定日镜反射的条纹图像,通过四步相移法对相位进行解析得到不同相位下反射后的条纹图像;基于时间解包裹运算得到的相位差图实现对镜面面形的三维重建。搭建了镜面面形检测系统,验证表明:所提出的面形检测算法和面形测量系统与设计要求相符,对大面积镜面面形的高效测量具有重要的应用价值。

基于双N步相移与全频解相的三维测量方法

针对N步相移法无法克服测量系统中投影设备的非线性响应以及抑制三频外差解相存在的跳跃性误差,提出基于双N步相移与全频解相的三维测量方法。首先,通过标准双4步相移法求解初始包裹相位与融合包裹相位,依据条纹调制度确定组合包裹相位;然后利用三频外差法对部分条纹解包裹获得一级条纹级数,再基于全频解相算法中条纹级数与相位的关系,获得二级条纹的展开相位。最终的实验结果表明:所提方法实现简单,展开相位平滑无跳跃性误差,相比现有方法解相效果更好。

改进的双N步相移轮廓术

条纹投影三维测量中,双N步相移轮廓术通过扩充一倍的投影条纹数量以补偿由测量系统的非线性响应导致的相位误差,但测量效率也因此降低。针对这一问题,提出了一种改进的双N步相移方法,该方法与传统的双N步相移法相比,在减少相移条纹数量的同时保持了测量精度。利用删减后的条纹计算原始和附加相位值,融合两相位实现物体的三维重建。实验结果表明,与传统双N步相移法相比,所提方法具有相同的相位误差补偿精度,并将测量效率提高了16.7%,同时证实了本文采用的三频分层相位展开的可靠度要优于三频外差法的相位展开可靠度。

基于光流像素匹配的扫描显微相位测量轮廓术

在扫描相位测量轮廓术中,需要先将不同位置的物体匹配到同一点,再根据相移算法提取相位信息,而像素匹配精度与相移算法均会影响测量精度。为此,采用显微系统,根据其远心光路特性实现物体移动量与像素移动量的等量转换;通过交替采集白场图像和条纹图像,由白场图像通过光流法实现精确的像素匹配,再根据物体匀速运动特点实现条纹图像的精确像素匹配;根据初始条纹周期选择基本符合满周期的N幅条纹图,由任意步数相移方法计算出截断相位分布,再通过概率密度函数搜索最佳条纹周期,进而得到准确的相位信息,完成物体形貌测量。实验表明,所提方法有效提高了测量精度,相移算法也适用于任意N(N≥3)幅图,在模拟工业流水线场景中物体的三维测量时,RMSE(均方根误差)可达0.008 mm左右。

一种适合低信噪比投影栅的时空二维相移算法

提出了一种适合低信噪比投影栅的时空二维相移算法。首先设计四步相移正弦光栅条纹图,由DLP投影仪投影到待测物体表面,再由CCD相机采集受物体形貌调制的变形条纹图;然后对其中一幅变形条纹图进行傅里叶变换以确定抽样间隔,再对4幅相移条纹图用相移法求得条纹背景和调制幅度后,对每幅变形条纹图做归一化处理;对每幅相移条纹图在空间域进行下采样抽样和灰度插值,构建相移莫尔条纹图,得到多帧时空域相移条纹图;对多帧时空域相移条纹图按时空二维相移法处理求得莫尔相位,再将莫尔相位与抽样点相位叠加求和得到变形条纹图对应的相位数据;最后,以面膜作为样品进行了实验测量,结果表明,经典四步相移法重构的物体形貌出现明显失真,而本文方法能较好恢复物体的三维形貌。

空间滤波器截止频率对三维形貌测量精度的影响

分析了在三维形貌测量中,对结构光调制图像进行低通滤波时,截止频率的选取对三维形貌测量精度的影响,并给出了三维形貌测量精度的处理过程和结果。对带有结构光调制的图像进行不同截止频率的空间滤波处理和比较。实验结果表明,该方法可以提高三维形貌测量的精度。

基于二步相移法的钢轨三维面形复原

传统的光栅条纹相移法提取相位时至少需要3幅光栅图像,使得测量系统的工作频率较高,图像预处理工作量大。针对这些问题,将希尔伯特变换引入二步相移法。希尔伯特变换具有90°相移和滤除直流分量的特性,对光栅条纹图像进行希尔伯特变换处理后,利用推导的相位提取公式计算相位。测量系统的非线性效应会引起条纹图像的失真,计算出的相位不准确,导致最后的三维复原精度低。推导了二步相移法中系统非线性效应引起的相位误差的公式,并对相位进行迭代补偿,削弱了非线性效应的影响。通过计算机仿真验证了所提方法的可行性,并将所提方法用于钢轨表面的三维面形复原,为钢轨磨耗和表面缺陷的测量提供了有效方法。

基于多步相移法和偏振干涉光学层析光路的三维温度场测量

温度场的精密测量对机械、航空航天、生物医学、食品化工、电力、能源和环境等诸多行业都有重要意义。提出了一种基于多步相移法和偏振干涉光学层析光路的三维温度场测量方法。首先,结合马赫-曾德尔干涉光路结构与光学层析技术设计偏振干涉光学层析测量系统,并利用偏振器件的旋转实现多步相移以实现高精度信号检测。然后,通过指数型滤波反投影算法还原得到被测介质的三维折射率分布,进而获得三维温度场分布。最后,推导了测量公式并搭建了实验系统。误差分析表明,现有实验条件下的系统测量不确定度约为0.8℃。测量实验和比对结果表明,所测得的温度场与实际情况吻合,与铂电阻温度计的标定温度比对结果小于2℃。