一种具有宽松约束的相位一高度映射算法

为了提升PMP测量系统的测量精度以及放宽该系统搭建的约束条件,提出一种新的具有宽松约束的相位测量轮廓术相位一高度映射算法.这种算法既不要求投影装置光心和成像装置光心的连线平行于参考平面,也不要求投影装置的光轴与成像装置的光轴共面,只要保证成像装置光轴垂直于参考平面,即可实现相位一高度映射.本文详细推导了该算法的数学模型,发现当投影装置光心与成像装置光心的连线不平行于参考平面时,相位一高度映射不仅与三维测量系统的结构参数有关,还与参考面的相位分布有关.由于在实际测量中难以保证投影装置光心与成像装置光心的连线严格平行于参考平面,因此所采用的新的相位一高度映射算法是实际测量系统的真实反映,也使系统更易于搭建.实验结果表本文所提算法进行测量的平均绝对误差和均方根误差最大不超过0.031 mm和0.040 mm.该算法拓宽了搭建测量系统时的约束条件,使得光路更易于实现.实验验证了该算法的有效性,表-所提算法的精确性和可重复性均优于传统算法.

拟合阶次对基于多项式拟合的相位—高度映射关系的影响

相位—高度映射系统标定对相位测量轮廓术三维重建与检测的精度起到决定性的作用,主要研究拟合阶次对基于多项式拟合的相位—高度映射系统标定精度的影响。通过1~6阶次的多项式拟合标定和三维高度重建,发现拟合阶次为1~4时可以取得较好的高度重建精度(绝对误差Δ<5μm)。对1~4阶次的多项式拟合标定系数进行进一步地研究分析,并发现当拟合阶次为2时,拥有较高的重建精度(绝对误差:Δ=1.36μm;相对误差:δ=1.34%)和稳定性(平均标准差:σ=0.262)。

位测量轮廓术中相位-高度映射系统标定的研究现状

相位测量轮廓术在物体三维重建与检测技术中有着广泛的应用,其三维重建过程可分为3个部分:结构光栅的产生和投影,相位提取与相位展开和相位-高度映射系统标定。相位-高度映射系统标定对三维重建精度起到决定性的作用。因此,相位-高度映射系统标定成为相位测量轮廓术三维重建研究中的热门课题。本文对三维重建和相位测量轮廓术的基本原理做简要介绍,然后详细介绍相位-高度映射系统标定的研究现状。

基于相位—高度映射的简易条纹投影测量模型和标定方法

针对传统基于几何约束关系的条纹投影测量方法存在标定过程操作复杂、易用性差的问题,提出一种基于相位—高度映射的简易条纹投影测量模型与标定方法。测量模型能够直接建立测量对象表面绝对相位值与空间坐标的映射关系,无需考虑相机和投影仪间的几何约束关系,根据该测量模型提出的标定方法操作简单,无需参考平面、量块或高精度位移台等高精度辅助工具,仅需一块棋盘格标定板即可完成系统标定。基于测量模型搭建的测量系统结构简单、效率高、测量精度高、易用性好。通过仿真和实验验证了该测量模型的有效性。

条纹投影轮廓术中新的相位高度映射算法

提出一种新的更具普适性的相位高度映射关系,测量中无需考虑系统双瞳连线是否与参考面平行以及成像系统光轴是否与参考面垂直。该映射关系有效地将待标定系数与标定采样点的像素坐标分离开来,系统校准时只需标定与采样点坐标位置无关的常系数,大大减少标定采样点数目,且在校准过程中只需2个标定平面。实验证实了该方法的有效性和正确性。

调制度测量轮廓术中高度映射与相机同时标定的方法

传统的调制度测量轮廓术在进行系统的标定时,需要将标准平面多次精密移动,以建立调制度与实际物理高度的映射关系,同时还要对摄像机进行单独的标定。提出一种新的用于调制度测量轮廓术系统的高度映射与相机同时标定的方法。该方法用一个含有多个台阶的标定模块代替传统的调制度测量轮廓术标定方法中使用的标准平面及复杂的平移定位系统,多个高度相同但空间离散分布的台阶构成多个虚拟校准平面,虚拟平面上的调制度分布是通过一个拟合过程实现的,同时多个台阶的中心点还可以作为立体靶标用于相机标定。这种标定方法的特点是:只需要一次扫描测量过程就可以完成系统的标定,包括建立调制度与高度的映射关系和对相机的标定。阐述了该标定方法的原理,并给出实验结果说明了该标定方法的有效性。

基于神经网络的相位-高度映射算法

建立高精度的相位-高度映射关系是结构光测量技术中的关键技术之一。在精确建立相机图像和投影仪图像对应关系的基础上,使用三层反向传播神经网络训练来建立图像坐标与被测物体三维坐标之间的映射关系。使用带有圆形标志点的平面标定板进行神经网络的样本采集与训练。为了验证本文算法的测量精度,使用训练好的网络对一个标准球和石膏头像进行了测量。实验结果表明,本文算法可以测量具有复杂自由曲面的物体,测量精度可达0.095 mm。

基于虚拟参考面的相位高度映射方法

在相位测量轮廓术中,相位高度映射是通过对若干已知平面的高度和相位来完成系统标定。其中四平面法所需数据量最少,但是单向相位高度映射在进行高度重建时,相位差越接近于0,则重建高度误差越大。为此提出一种基于虚拟参考面的相位高度映射法,即通过在原四平面基础上增加一个预设高度的虚拟平面,再拟合得到其相位分布,进而计算出适合于整个标定空间的系数表a、b、c,从而显著提高物体三维重建精度。实验结果证明了该方法的可以有效地减小映射高度误差,测得单向相位高度映射法物体重建相对误差低于4.76×10^-2 mm,虚拟参考平面相位高度映射法物体重建相对误差低于7×10^-3 mm,平面测量均差低于5×10^-3 mm。

一种提高相位-高度映射精度的标定方法

在相位测量轮廓术中,传统的相位-高度映射通过对若干已知高度平面的单次数据采集来完成标定。在标定过程中,不同时刻所采集的数据肯定有所不同,从而在标定时计算出的待标定系数也有所不同,这就影响了相位-高度映射精度。为了提高相位-高度映射精度,提出了对参与标定的平面进行多次测量,从而能得到多组标定系数,采用平均标定系数来代替单次标定系数的标定方法,使标定系数更加真实稳定,受时间的影响减小。通过测量若干给定高度平面验证了该方法的有效性,通过测量"心"形物体的三维面形验证了该方法的实用性,表明该方法能有效提高相位测量轮廓术测量精度。

采用时间相位展开的高度坐标校准方法

在相位测量轮廓术中,需要建立空间相位分布和高度坐标之间的映射关系,这一过程又称为系统校准。本文提出了一种基于时间相位展开的高度坐标校准方法。对于模块校准过程中虚拟平面的连续相位分布的恢复以及它们之间准确相对位置的恢复问题,采用了负指数序列的时间相位展开。该方法具有过程简单的特点,对平面校准的标准偏差为0.20mm。实验结果证明了该校准方法的有效性和可行性。

一种基于BP神经网络测量物体高度的快速方法

本文提出的方法是在相位测量法的基础上,利用神经网络建立折叠相位与高度的映射关系,不需要严格搭建系统,也不需要展开相位及标定系统,不必考虑由系统的非线性所带来的误差。测量结果的精度在十个微米左右,标准方差在一个微米以下,是一种快速有效且准确稳定的机器视觉高度测量方法。

相位测量轮廓术中一种快速的系统标定方法

传统的系统标定和相位测量是分开进行的,所测量的是物体相对于参考面的高度。提出一种快速的系统标定方法,用块规代替传统方法中由机械移动装置控制的标准平面,在块规表面采样标定点完成系统标定,实现系统标定与待测物相位测量的同步进行;当待测物支撑面与参考面不重合时,依然能准确测量物体相对支撑面的高度。对一高度为14.00 mm的立方块测量的结果显示,当其支撑面相对参考面发生纵向移动或倾斜时平均相对误差不高于1.35%,均方差小于0.15 mm。该方法简化了标定过程,在实际应用中更具普适性。

基于最大色差彩色组合编码的三维面形测量方法

为了克服光学三维传感中相位恢复困难的问题,提出了一种基于最大色差彩色组合编码的三维面形测量方法。这种方法的特点之一是使得垂直于条纹方向特定长度的颜色序列是唯一的,从而建立了空间位置与颜色的对应关系。特点之二是相邻条纹之间具有最大色差,因而具有最大可区分性。将得到的彩色组合条纹投影到物体表面得到变形条纹,通过计算各种颜色条纹相对参考平面上条纹移动的距离,可以恢复出物体的高度。实验证明,该方法需要获取的图像少、计算时间少、精度较高,具有很强的抗干扰能力。

傅里叶变换轮廓术中三维坐标同时校准方法

在相位测量型光学三维面形测量中,最终都要将相位信息转换成被测物体的高度分布信息,这个过程往往是通过对已知世界空间坐标的特征点事先标定,获得测量系统的内外特征参数后,完成被测物体的三维坐标转换。因此,标定是三维面形测量的关键环节。本文基于双向二次相位-高度映射方法和摄像机针孔模型线性无畸变标定技术,充分利用傅里叶变换的频谱方向特性,提出了对含有特征点的二维标定物表面变形条纹的频谱进行方向滤波操作,同时获取测量系统XYZ三个方向上的标定数据,对测量系统进行立体校准的系统标定方法。结合旋转风扇叶片形变的测量系统,给出了该方法的标定结果:在XY面内(230mm×230mm)的标准偏差小于0.27mm;在Z方向上小于0.022mm,位移测量灵敏度优于0.05mm。该方法为测量系统的实用化奠定了基础。

采用虚拟标准平面标定相位测量轮廓术系统

为了标定相位测量轮廓术系统中相位-高度映射关系,引入了虚拟标准平面。基于投影是摄像的逆过程这一事实,从摄像机模型出发,使用统一的数学模型和平面靶标来标定出摄像机和投影仪的内部、外部参量。再由双目视觉中的立体标定方法得出测量系统的几何结构。最后根据标定得到的参量,在测量体积内设置参考平面并计算得出参考平面及不同高度上平行于参考平面的各标准平面上的相位分布。利用最小二乘法求解相位-高度映射方程系数。实验测量的标准差达到0.046mm。对间距为1.00mm的台阶模型进行测量,实际测得间距为0.99mm。结果表明,该方法可行,简化了相位测量轮廓术系统标定过程。

利用预失真条纹校正PMP系统投影仪畸变的研究

依据摄像机畸变模型提出了一种投影条纹相位畸变校正方法来简化相位-高度映射关系.该方法首先通过投两套互相垂直的相移正弦条纹,以相位值代替投影仪像素坐标,将投影仪当成摄像机看待,标定出投影仪的内参量.然后根据标定出的投影仪镜头畸变参量对理想相位施加反向的畸变,在投影时反向畸变的光栅通过镜头畸变,又成为理想的光栅,从而简化了相位-高度映射关系.实验中,虽然由于测量误差的影响,校正后的投影仪径向畸变系数还是比原来小了1个数量级.

全视场外差干涉三维测量系统

结构光三维测量技术具有快速、无损接触、重复性好等特点,被广泛应用在模具检测及工程制造中,但传统投影式结构具有离焦模糊的缺点。本文采用全视场外差干涉的原理,使用高精度声光移频外差干涉条纹代替传统光栅投影中的编码条纹,与传统工业相机结合使用便可获取快速的全视场三维数据。根据对系统参数的建模计算,设计加工了外差干涉三维测量仪,联合使用电动平台及棋盘格标定板来获取该系统的相位高度映射模型,最后对标准陶瓷台阶进行了测量。实验结果复现了原物体的三维形貌及高度信息,在30°的观测角下系统的高度分辨率为22 μm,视场内的空间分辨率优于58 μm,测量标准陶瓷平板,高度误差为75 μm。该方法具有检测速度快、体积紧凑、抗环境干扰性强等特点。

条纹投影相位高度转换映射模型及其标定方法

为了提高条纹投影三维(3D)测量系统的测量速度和准确度,提出了一种改进的相位高度转换映射模型。通过建立虚拟相机坐标系以及分析条纹信息在投射器坐标系与相机坐标系之间的转换关系,在相机坐标系中建立了从相位到高度的一一映射模型,并在映射模型中校正了相机镜头的畸变。该模型结构简单,便于结合查表(LUT)法使用。应用查表法后,模型算法复杂度极低,可以应用在高速测量中。同时,提出了一种针对映射模型的标定方法,并在相机标定过程中利用逆向投影优化过程对相机的参数进行迭代优化。标定方法简单高效,不需要参考平面,且对系统中的相机和投射器的相对位姿没有严格的要求。实验结果表明所提映射模型及标定方法可以实现快速准确的三维测量。

一种实用的傅里叶变换轮廓术系统校准方法

在傅里叶变换轮廓术(FTP)中,根据针孔模型透镜成像理论,在考虑摄像机的径向畸变和切向畸变的情况下,利用畸变量较小的图像中心信息,对测量系统放置位置进行调整。采用相位——高度映射并结合最小二乘法及曲线拟合对高度和畸变分别校准。该方法能够简单、快速的对摄像机系统进行标定和修正,提高了FTP测量的精度,特别是在横向坐标方向上的精度。实验验证了所提方法的正确性。

平行光干涉投影三维形貌恢复方法

传统傅立叶变换轮廓术多采用散光斜式投影,需要满足4个约束条件才能得到较为准确的相位与高度映射关系,并且散光投影带来的相位非线性二次项误差也会降低形貌恢复精度。为了能在欠约束条件下减少相位非线性误差的影响,建立了基于平行光干涉投影下的普适模型。平行光干涉投影下的参考平面相位沿着x轴呈线性变化,相位分布较散光或倾斜式投影更具准确性。对比分析了散光及平行光投影下被测物体的恢复情况,实验结果表明,新模型在欠约束条件下,具有较高的灵活性和可操作性,恢复精度良好,相对误差为1.1%。