三维光学形貌测量系统在飞机研制中的应用前景

三维形貌测量系统是获取物体表面信息的强大工具,对目前先进的三维光学形貌测量系统的原理、性能及特点进行介绍,并初步分析了飞机型号研制中测量工作所面对的挑战,在此基础上对三维光学形貌测量系统在型号研制中的潜在需求进行展望。

先验知识辅助的条纹投影动态三维形貌测量

为改进条纹投影动态三维测量系统性能,根据动态物体三维形貌测量的特点提出了两步法测量方案:1)通过测量运动前物体或CAD模型,获得物体初始三维形貌及二维图像中特征点对应的三维坐标;2)进行物体运动变化过程的三维测量。通过检测动态图像中的特征点,根据二维、三维坐标对应关系计算物体不同时刻的运动参数,再由初始形貌估计出物体的近似形貌,以此来计算该时刻条纹图的近似相位。然后结合该近似相位及实际条纹的截断相位计算得到展开相位,最后获得该时刻物体的三维形貌。与时间相位展开法相比,该方案在相同测量精度下提高了测量速度;而与空间相位展开法相比,该方案在相同测量速度下提高了测量可靠度,并且不受条纹不连续影响。采用DLP投影仪和高速摄像机搭建了静态、动态双模式三维测量系统,实现了1280×1024点及70 f/s的三维形貌测量。实验结果表明该方案不但可以对刚体运动物体进行测量,而且对非刚体运动物体,只要其形变引起的条纹变化不超过半个周期也能够测量。同时,提出的方法对相邻时刻物体位姿变化有较大的容限。

采用LD的光源步进条纹投影三维测量系统

在采用LED的光源步进法三维测量系统中,由于LED发散角大,在短距离内就达到较大的条纹投影面积,造成系统工作距离短。另外大功率LED发光面尺寸大导致条纹对比度低,投影高亮度、高对比度的条纹困难。为解决上述问题,提出在光源步进法投影装置中采用激光二极管(LD)作为光源,实现高亮度、高对比度相移条纹投影。采用该投影装置与双目摄像机设计了便携、高速的三维测量系统。首先利用改进的傅里叶变换轮廓术获取变形条纹相位及调制强度;接着利用激光散斑的随机性,在调制强度图中实现双目图像的粗匹配;然后在粗匹配的基础上进行条纹相位展开,利用相位实现精匹配;最后获得待测物体三维形貌。利用设计的系统进行了实验验证。系统的测量体积为360 mm×290 mm×100 mm,采集的三维数据最多为1280×1024点。实现了100 f/s的三维形貌测量速度,对平面的测量标准偏差为0.19 mm,对5个间隔距离为1.00 mm的平面进行了测量,测量距离的平均误差为0.05 mm。

基于光学三维形貌数字重建的不规则表面的参数测量

针对不规则形状物体表面参数测量困难的问题,提出了一种利用光学三维形貌数字重建技术来获取待测物体表面三维数字信息的方法。首先利用傅里叶变换得到反映三维物体表面高度的相位数据,在计算机中重建三维待测物体,然后再利用Matlab软件编写面向用户的人机交互界面,通过计算机鼠标指定待测量的表面区域,最后运用Matlab软件对鼠标所指定区域的三维数字信息进行处理,根据几何关系计算出指定区域的表面积、两点间的曲线长度等参数,实现人机交互式的非接触测量。

应用时域相位解包方法的三维形貌测量系统

为了解决投影法三维形貌测量中测量点误差受相邻点影响的问题,投射计算机按照所需频率和相位生成的正弦条纹,利用时域相位解包算法实现每个测量点的独立计算。为了降低测量复杂形貌时因栅距变化产生的误差,发展了虚参考平面法。列举了在真人头面部和鼠标测量中的应用。实验结果表明,在进行复杂形貌三维测量时,采用时域相位解包方法可以抑制误差的扩散,不受不连续区域的影响。整个测量过程可在5s之内完成,测量平面时精度可达0.78%。