（光学工程专业论文）散斑干涉信息提取技术及其应用研究.pdf

中文摘要电子散斑干涉测量技术( e l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e mi n t e r f e r o m e n y ，简称e s p i )是一种全场非破坏性光学测量技术，广泛应用于粗糙表面的变形测量和无损检测。在应用该技术时，准确提取相位，对物体的位移、应变、振动等测量具有重要意义。目前最常用的相位提取方法是条纹中心线法和相移法，后者多用于静态测量，因其能够得到全场相位信息而备受关注。在利用条纹中心线法提取相位时，由于较强颗粒噪声的影响，条纹的可见度和分辨率很差，无法正确读取条纹信息，因此滤除条纹图中的噪声是正确判读条纹信息的关键。本文利用偏微分方程滤波方法和变分法滤除散斑噪声，深入研究了各种偏微分方程滤波模型和变分滤波模型对散斑干涉条纹图的滤波效果，分析各种模型滤波性能优劣的原因，在此基础上，提出基于条纹特征的、滤波性能更佳的偏微分方程滤波方法。对滤波后的条纹图进一步采取二值化、骨架线提取、条纹级数标定、插值一系列操作，得到物体的三维相位信息。在相移相位测量技术中，本文对相位图的生成方式、包裹相位图的滤波方法以及相位展开方法等关键技术进行了探讨和研究。由于电子散斑干涉测量技术具有实时显示、灵敏度高、全场测量等优点，该技术在工业无损检测中得到广泛的应用。本文利用电子错位散斑干涉方法，结合相移技术，搭建了一个小型化的错位相移无损检测系统，检测轮胎气泡缺陷。本文的创新性工作概括如下：( 1 ) 在散斑条纹图的滤波方面，改进了p m ( p e r o m m a l i l 【) 变分滤波模型和总变分滤波模型。( 2 ) 提出了两个新的偏微分方程滤波模型：结合条纹的密度信息和其含有乘性噪声的特点，提出一种同态偏微分方程滤波方法；结合条纹的方向信息，提出一种基于条纹等值线和法向曲线的各向异性滤波模型，滤波效果良好。( 3 ) 在相位提取技术方面，将基于热传导方程的m b o ( m e r i 佃觚b e n c e o s h e r ) 方法引入条纹图二值化过程，并对其进行改进，二值化效果明显优于传统阈值方法；改进了最小二乘相位展开方法，提高了相位展开精度。( 4 ) 搭建了一个小型化的错位散斑相移轮胎气泡缺陷检测系统。对系统进行了总体设计，并获取了轮胎缺陷图片。系统可脱离防震台检测，切实可行。关键词：电子散斑干涉测量技术，电子错位散斑干涉法，偏微分方程滤波方法，交分法，条纹中心线法，相移技术，轮胎缺陷检测a b s t r a c te l e c 仃o n i cs p e c k l ep a 呛mi n t e 彘r o m e 姆( e s p i ) i saw h o l e - f i e l d ，n o n d e s t l l l c t i v em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e ，w h i c hi sw e l l k n o w nf o rd e f o h n a t i v ea n dn o n d e s t r u c t i v em e a s u r e m e mo fc o a r s es u a c e a su s i n gt h i st c c h n i q u e ，a c c u r a t ee x 馏a c t i o no fp h a s ev a l u ei so ff h n d 锄e n t a li m p o 咖c ef o rt h es u c c e s s f u lm e a s u r e m e n to fd i s p l a c e m e n t ，s 吮i n 粕dv i b r a t i o n a tp r e s e 吐觚oo ft h em o s tc o m p r e h e n s i v ep h a s ee x 昀c t i o nt e c l l n i q u e sa r et l l e 衔n g e c 即t e r l i n em e t h o da n dt h ep h a s e s h i 衔n gt e c i l i l o l o 缈1 1 1 e1 a t t e rm e t h o di su s e df o rs t a _ t i cm e a s u r e m e mm a i n l 弘a n di sp a i dm o r ea t t e n t i o nb e c a u s et l l e 、h o l e f i e l dp h a u s ei n f b r i i l a t i o ni sa v a i l a b l e a su s m g 衔n g e c e n t e r l i n em e t l l o dt 0e x t r a c tp h a s e ，恤es 竹o n gg r a i n s h a p 吧m n d o mn o i s el e a d st oh e a v yr e s t m mt 0t h e 衔n g eo nv i s i b i l i 够柚dr e s o l v i n ga _ b i l 姆ni sd i f f i c u l to fa c c 硼他e x t r a “o no fp h 觞ev a l u e 劬m 雠n g ep 删e m s 1 1 1 e r e f o r c ，r e s e a r c ho ne f l e c t i v e l yf i l t e rt 0m e 衔n g ep a 仕e m si so f 如n d 锄e n t a li m p o r t a n c ef o rt h ed e v e l o p m e mo fe s p ln ep a n i a ld i 毹r e m i a le q 嘣i o n s ( p d e ) 6 l t e rm 如o d s 锄dt h ev 撕a t i o n a lf i l t e rm e t h o d sw e r eu s e df 0 rn o i s er e d u c t i o n w ed i s c u s s e dt h e 蜀1 t e re 毹c to fv 撕o u sp d ef i l t e rm o d e l s 粕dv 撕a t i o 舱lf i l t e rm o d e i st oe s p i 仔i n g ep a t t e m s ，锄a l y z e dr e a s o n so fs u c c e s s0 rf a i l u r e ，锄dp r o p o s e dm o r ee 舵c t i v ep d ef i l t e rm o d e l sb a s e do n 衔n g ef e a t u r e s a r e rd e n o i s i n g ，as e r i e so fo p e r a t i o n s ，b i n a r i z a t i o n ，s k e l e t o ne x t l a c t i o n ，衔n g eo r d e ra s s i g n a t i o na n di n t e 叩0 1 a t i o n ，w e r ei m p l e m e n t e d 锄dt l l et t l r e e - d i m e n s i o np h a s em 印w a so b t a i n e d f o rp h a s e s h i r i n gt e c h n o l o g y ，t l l eg e n e r a t i o nm o d e sf o rp h a s em a p ，f i l t e rm e t h o df o rw r a p p e dp h a s em a pa n dt i l ep h a s eu n w 印p e dt e c t l l l i q u ew e r es t u d i e d o w i n gt 0t h ep r o m i n e n ta d v a n t a g e s ，s u c h 髂r c a l t i m ed i s p l a y ，h i g hs e n s i t i v i 哆a n dw h o l e 一6 e l dm e a s u r e ，e s p ii sw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a ln o n d e s n u c t i v ed e t e c t i o n a p p l y i n gt h ee l e c 仃0 n i cs h e 撕n gs p e c k l ep a t t e mi n t e 哦r o n l 哪( e s s p i ) a n dt h ep h a s e - s h i f t i n gt e c h n o l o g y ，am i n i a t u r i z a t i o ns h e a r i n gp h a s e s h i r i n gn o n d e s t m c t i v ed e t e c t i o ns y s t e mw a ss e tu pf o rb u b b l e sd e t e c t i o no f t i r e t h em 旬o ri n l l o v a t i o n sa c h i e v e di nt h ed i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ：( 1 )f o rn o i s er e d u c t i o no fe s p i 衔n g ep a _ c t e m s ，t w ov 撕a t i o n a lf i l t e rm o d e l s ，i e p mv a r i a t i o n a lm o d e la n dt o t a lv a r i a t i o n a lm o d e l ，w e r ei m p r 0 v e d ( 2 ) t w on e wp d ef i l t e rm o d e l sw e r ep r c s e n t e d c o n s i d e r i n gn l ei m f 而m a t i o no f衔n g ed e n s i 够锄dt h ef e a t u r eo fc o n t a i n i n gm u l t i p l i c a t i v en o i s e ，ah o m o m o 印h i c( 3 )( 4 )p d ef i l t c rm 甜l o db a s e d0 n 衔n g e 嘶e n t a t i o nw a sp r o p o s e d a n dc o m b i n i n gm ei s o p h o t el i n ea n dt 1 1 en o r m a lc u r v e ，an e w 锄i s o 仃o p i cp d ef i l t e rm e t h o d 、硼sp r e s e n t e d 7 r h ef i l t e re 虢c th a sb e e ni m p r o v e dd i s t i n c t l y f o rp h a s ee ) m 佻t i o nt e c h n o l o g y ，l em b oa l g o r i t h mb a s e do nm eh e a tc o n d u c t i o ne q u a t i o nw a si n 们d u c e df o rt h eb i n a r i z a t i o no f 衔n g ep 种c e 】m sf o rt h ef i r s tt i m e ，a n dt 1 1 eb i n 撕z a t i o ne 位c tb yo i l ri m p r o v e da l g o n u ni sb e 牡e rt h 粕t h a tb y 廿l o s e 们d i t i o n a lt l l r e s h o l dm e t h o d s f u r t h e r n l o r e ，t h el e a s t s q u a r e sp h a s eu i l w r a p p e dm e t h o dw a sr e f o 姗e da n d 廿l ep r e c i s i o nw a si m p r o v e d am i n i a t u r i z a t i o ns h e 撕n gs p e c k l ep h a s e - s h i r i n gs y s t e mf o rb u b b l e sd e t e c t i o no ft i r ew a ss c tu p t h eo v e r a l ld e s i g nw a s m a d ef o rt h es y s t e ma n ds o m ei m a g e sa b o u tt i r ed e f e c tw e r ea c q u i r e d t h es y s t e mc a l ln o tb eq u a k e p r o o t h ef e a s i b i l i t yo fu l es y s t e mw 硒v a l i d a t e d k e yw o r d s ：e l e c 协o n i cs p e c k l ep a 仕e mi n t e e r o m e 臼e l e c t o m i cs h e 撕n gs p e c k l ep a t t e mi n t e m r o m e 时，p a n i a ld i 疏r e n t i a le q u a t i o n sf i l t e rm e t h o d ，v a r i a t i o n a lm e t h o d ，f r i l l g e c e n t e r l i n em e t h o d ，p h a s e - s h i r 访gt e c h n o l o g y ，d e f e c td e t e c t i o no ft i r e独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤垄盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：方芬芳签字日期：7年，月7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：猫著导师签名：签字日期：7 年，月f 7 日签字日期：沙哆年月，j 7 日天津大学博士学位论文1 1 电子散斑干涉测量技术第一章绪论1 1 1 散斑干涉测量技术的起源散斑干涉测量技术是上世纪六十年代末逐渐兴起的一种光学测量技术，广泛应用于光学粗糙表面的变形测量和无损检测。它是利用一束相干光照射在未经加工的工件表面，从而形成散斑图形。当被测的工件产生微小的位移时，在其表面上所形成的散斑图形也必将发生移动，利用光学照相的方法将散斑图形记录下来，比较前后两次的散斑图形就可以得到物体的位移信息，这就是光学散斑的测量原理。在全息实验中，观察被激光所照射的试件表面，就可以看到上面有无数细小斑点。由于这些斑点的存在，使得条纹的反差受到影响，当条纹过密时，即被斑点所淹没了，因而观察不到条纹。因此在全息干涉法的发展初期，散斑曾被人们看作是无用的噪声。随着全息干涉法的发展，人们对散斑作了更深入的研究，人们发现，虽然这些斑点的大小和位置的分布是随机的，但是所有斑点的综合是符合统计规律的。在同样的照射和记录条件下，一个漫反射表面，对应着一个确定的散斑场，即散斑场与形成此散斑场的物体表面是一一对应的。因为散斑是由粗糙面的散射形成的，所以也可以说散斑是粗糙表面的某些信息的携带者，这样借助于散斑不仅可以研究粗糙表面本身，而且可以研究它的形状和位置的变化l l j 。在一定的范围内，散斑场的运动是与物体表面上各点的运动一一对应的，这就启发了人们可以根据对散斑运动的检测，来获得物体表面运动的信息，从而计算位移、应变和应力等一些力学量。形成散斑必须具备以下两个条件1 2 j ：( 1 ) 必须有能发生散射光的粗糙表面，为了使散射光比较均匀，则粗糙表面的深度必须大于波长；( 2 ) 入射光线的相干度要足够高，例如使用激光。1 9 6 8 年，j m b u r c h 和j k t o k a r d k i 首先提出散斑干涉原理，并用于疲劳检测方面。上世纪七十年代初，人们发展了激光散斑干涉法这一新方法，利得茨等人研究了双光束散斑干涉法测量平面内位移，两束相干光以相同的角度在法线两侧平行入射照明粗糙物体表面，而物体表面两束光形成的散斑图相互干涉形成第三个散斑图。阿奇博尔德等人提出单光束法测量面内位移，被研究的物体受到从第一章绪论任意角度射来的发散相干光束照明，对像平面两次曝光，由照相机照相。散斑干涉测量方法之所以得到快速发展，除了由于它具备全息干涉法的非接触式、可以遥感、直观，能给出全场情况等一系列优点外，还具有光路简单，对试件表面要求不高，抗震性能好，计算方便，精度可靠，灵敏度可以在一定范围内选择等特点。散斑干涉法的用途很广，除了测取物体的位移、应变外，还可以用于无损探伤、物体表面粗糙度的测量、振动测量等。1 1 2 电子散斑干涉测量技术的发展和现状全息干涉计量术与散斑干涉计量术的灵敏度都可以到波长量级，但是早期的测量需要防震台。另外，早期的散斑干涉技术由全息干板记录物面散斑场的光强信息，对采集的条纹图形采取手工操作的方式在暗室冲洗进行处理，费时费力且受主观因素影响，使得该方法的发展受到很大限制。随着计算机技术、电子技术和数字图像处理技术的发展，人们很自然地想到如何将其应用到全息和散斑干涉条纹的记录与处理上，从而形成了采用电视摄像技术记录散斑场信息的电子散斑干涉测量技术( e l e c 仃0 n i cs p e c k l ep a 位e mi n t e 疵r o m e 仃y ，简称e s p i ) ，这是发展最早的计算机辅助光学测量方法。1 9 7 1 年，b u n e r s 和l e e n d e 陀首先应用光电子器件( 摄像机) 代替了全息干板记录散斑场的光强信剧3 1 ，并存储在磁带上，由电视摄像机输入的物体变形后的散斑图通过电子处理的方法不断与磁带中变形前的散斑图进行比较处理，从而在监视器上观察到散斑干涉条纹。1 9 7 6 年l o k b e 唱等把全息干涉术中的参考光相位调制技术引入电子散斑，使之能测量振动的相位分布；1 9 7 7 年w y k e s 讨论了电子散斑干涉法中的消相干效应，并提出了相应的改进措施：1 9 7 8 年j o n e s等利用双波长电子散斑干涉法测量了物体的轮廓；1 9 8 1 年j o n e s 等系统地对电子散斑干涉中各种参数的选取和优化作了详细的报道。这样，人们完成了对电子散斑技术的基本原理和它的性质的研究，提出了改善e s p i 条纹质量的系统参数选取方法，为以后的研究和应用打下了基础，并研制了商品化的e s p i 干涉仪。1 9 8 7年w y k e s 等使用了小功率激光器和半导体激光器实现了电子散斑干涉术，从而使系统更加紧凑、实用【4 j 。上世纪八十年代，出现了集成化的电子存贮模块。利用这种技术，电视图像可以以点阵的形式量化为数字图像，存贮在帧存体中。数字化的记录方式减少了电子散斑干涉条纹的噪声，大大提高了干涉条纹的清晰度。1 9 8 0 年n a k a d a t e 首次实现并得到5 1 2 5 1 2 阵列数字散斑干涉条纹。目前的电子散斑干涉测量系统主要包括激光器，光路，c c d 摄像机，图像采集卡，计算机和监视器以及相应的天津大学博士学位论文软件支持系统。散斑图像由c c d 摄像机和图像采集卡采集，直接存贮在计算机的硬盘中。对变形前后采集的两幅敖斑图做绝对值相减、相加或相乘运算，即可得到对应变形信息的散斑条纹图。电子散斑干涉技术是在现代高科技成果的基础上发展起来的一种现代光测方法，它具有全场、非接触、高精度和高灵敏度，不避光、不照相、不需要特殊防震、快速实时并可在线检测等优点。该技术在机械、土木、水利、电器、航空航天、兵器工业及生物医学等领域的检测中具有非常重要的地位。近年来，国际和国内的学者广泛地利用散斑干涉法进行各种研究工作【孓8 1 。随着计算机技术的发展和进步，数字图像处理技术的应用是当今激光测试技术发展的一个趋势。由于电子散斑干涉技术采用c c d 或t v 摄相机和电子存储器取代全息干板记录光强信息，以数字形式存入存储介质中，这为实现条纹的计算机处理创造了良好的条件。运用数字图像技术处理电子散斑干涉条纹图，方便快捷。数字图像处理技术为散斑干涉技术注入了新的活力，大大推动了该技术的发展。综上所述，电子散斑干涉法具有以下特点1 9 j ：( 1 ) 它采用c c d 或t v 摄像机和电子存储器取代了全息干板记录物面散斑场的光强信息，可用电子或数字处理技术实时处理信息，实时显示干涉条纹，快速方便；( 2 ) 它使用图像采集卡高帧速采集散斑场信息，从而对工作环境的防震要求大大降低。由e s p i 发展而来的电子错位散斑干涉法( e l e c t r o n i cs h e a r i n gs p e c k l ep a 位e mi n t e 疵r o m e 姆，简称e s s p i ) 【1 0 】贝u 完全不需要防震，可以走出实验室，进入现场测试；( 3 ) 它采用相减模式处理干涉散斑场，可消除一般杂散光的影响，可以在明室下操作，这给工作人员带来了方便；( 4 ) 电子散斑条纹图可以以数字形式保存在存储介质中，这样便于条纹后处理，结合计算机技术使条纹自动分析成为可能。1 1 3 电子散斑干涉条纹图的预处理电子散斑干涉技术虽然具有不避光、抗震、处理速度快等优点，但是，散斑条纹图像中存在着很强的颗粒性噪声，使条纹的可见性和分辨率受到很大程度的限制，极大地降低了条纹对比度，给计算机实现散斑图像的自动判读带来了很大的困难。去除颗粒噪声的影响，提高条纹的对比度是e s p i 发展的关键，同时也是正确读取散斑条纹信息的必要条件。为了从散斑图像中精确地提取条纹信息，第一章绪论就必须对散斑干涉图像进行处理，消除散斑颗粒噪声的影响，增强图像清晰度。图像平滑技术是图像处理领域中一项基本的，也是很重要的技术，一直是图像处理领域长期的、不可回避的研究课题。因为一幅图像总是可能受到各种噪声源的干扰，包括光电转换过程中的噪声，照片颗粒噪声和信息传输中的误差等。在电子散斑图像中，由于噪声的干扰，不能从图像中获得更准确的物体变形信息，严重影响了电子散斑干涉技术的应用。图像平滑包含两个方面内容：一是消除噪声，二是增强( 或保护) 图像特征。在实际中这两点也总是结合在一起的，需要在这两者间取得良好的兼顾。对图像恰当( 带有方向性) 的平滑，能使图像特征得到较好保护，使其更加明显，从而提供给我们准确的信息1 4 j 。传统的滤波方法有两大类，即空域滤波和频域滤波【l1 1 。常用的空域滤波方法有均值滤波和中值滤波，这类方法通常导致严重的模糊效应i l 引。傅里叶滤波属于频域滤波，它首先通过傅里叶变换将图像转换到频域上，再对各种频率成分进行有选择的抑制。然而在运用该方法对条纹图进行处理时，最优的截止频率难以确定。因此，如何有效地对散斑条纹图进行滤波具有非常重要的理论和现实意义。q i n 提出了一种回归算法【l3 1 ，运行快速且能有效抑制散斑噪声，然而其结果的对比度却大大降低。于起峰提出的旋滤波方法考虑了条纹图不同断面上的灰度分布特点，选择在条纹等值线上进行滤波，在消除噪声的同时不损害条纹特础悼1 6 j 。1 2 相位测量技术e s p i 测量技术的最终目的是获得条纹图的相位信息，进而获取物体的位移或变形。1 2 1 相位测量方法外差法是用于提取全场位移信息的光电技术，在任何条纹位置上均可获得优于o 4 。或l 1 0 0 0 条纹的精度，但该方法必须在空间位置上作逐点测量。外差法最早是由c m e 在1 9 6 9 年描述并在实验上实现，并随后获得了应用1 1 7 j 。d 锄d l i k e r对该方法作了全面的综述引。m a s s i e 在1 9 8 0 年利用面阵探测器件将外差法逐点测量推广到了几千个测量点同时测量【l9 1 。外差法的基本思想是在两路干涉光中引入微小频移以产生拍频，从而使光信号可被光电器件接收，成为电信号，经过相应的处理获得相位信息。拍频的产生是通过具有一定频率差的两个光源或是同一激光经分束，其中的一束经过频率调制之后再复合。外差法测量精度很高，但由天律大学博士学位论文于拍频的产生比较复杂，特别是要得到稳定的频差，对仪器和测试条件要求相当高。在每个测点要获取足够多的采样点从而进行相位差的求解。另外就是要进行逐点扫描，因而测量的时间比较长。所以外差技术只能在特定的场合应用，没能得到推广【2 0 1 。傅里叶变换法( f o u r i e rt r a l l s f o n nm e t h o d ) 采用空间相位调制来替代时间频率调制，缩短了外差技术测量所需时间。其实现过程是：用c c d 摄像机直接采集条纹图，采用傅里叶变换将变形条纹图从空域变换到频域，在频域中把高频和载频去掉，只保留条纹频率，然后进行逆傅里叶变换到空域，进行相应的处理即可得相位分布【2 卜z 3 j 。傅里叶变换法求解相位的优点是只需一幅条纹图即可得出其对应的相位分布，容易实现对动态过程的测量。然而，当测量复杂的物体时，由于物体的频谱分布较宽，使得在频率域中基频与零频发生混叠，在进行滤波时很难找到合适的带通滤波器，导致计算出的相位存在较大误差【2 0 1 。此外，傅里叶变换法只适合具有基频调制的条纹图，对于干涉测试中的复杂的干涉条纹图，比如闭合相位条纹图，则不适用。在相移技术产生以前，条纹中心线法是光学干涉测量技术获得相位测量结果的主要途径。各种干涉测量方法是以条纹图的形式来表现物体的物理属性。光学干涉条纹处理方法可追溯至1 9 世纪早期，主要探测条纹最强和最弱的位置，这些位置上的相位为万的整数倍。在得到干涉条纹图后，要想获得物体的位移和变形量，需要对条纹图进行滤波、二值化、提取条纹中心线、插值等一系列操作，因而测量精度的提高尚存在不少问题。该方法不断得以发展的最大动力来源于电子技术的发展，尤其是近几十年。自动条纹分析技术具有十分重要的意义，国内外学者提出许多处理方法【2 4 。2 6 1 。国际上专门有“条纹国际会议，例如，“f r i n g e 9 3 一、搿f r i n g e 9 7 、“f r i n g e 0 1 等会议在德国不来梅大学举行，“f r i i l g e 0 5 在斯图加特大学举行。近些年来，随着相移技术的广泛应用，人们在相位分析方面做了大量的工作，相位实验及分析方法成为目前光学测量领域的主流，但条纹中心线法仍是一种重要的干涉图处理方法。当实验系统难以实现相位测量时，条纹中心线法是处理实验结果的首选方法。相移( p h a s es h i r i n g ) 技术是在条纹图处理研究领域中最重要的发展和成果之一，是目前应用最广泛的相位提取技术之一【2 卜2 9 1 。相移法可提供比其他方法更高精度的结果。该方法通过移相在两束光波中的一支引入附加光程差，使不同时刻的干涉条纹产生固定的相位变化，通过采集多幅相移干涉条纹图( 三幅以上) 来求解相位，其测量精度可以达到州l o o 。相移法一般可分为时间相移法( t e m p o m lp h a s e s h i r i n gm e t h o d ，t p m ) 【叫j 和空间相移法( s p a t i a lp h a s e s h i r i n gm e t h o d ，s p m ) 1 3 l j 。时间相移法是用探测器件在同一空间位置采第一章绪论集不同时刻的干涉条纹图来求解相位，因此在动态过程的测量中难以应用。空间相移法是用多个探测器在同一时刻的不同空间位置采集多幅干涉条纹图，可以用于动态相位测量，但是要求探测期间的性能一致，并且需要对不同空间位置的干涉条纹进行匹配，因此测量精度不高。本论文所做的工作是在时间相移法的基础上进行的。相移测量技术的许多理论基础早在上世纪7 0 年代就已经形成，到8 0 年代得到了广泛的发展和应用。1 9 6 6 年，c a 耐就已应用了现在所谓的时间相移法进行相位的测量1 32 | 。他所设计的四等步长算法是目前最常用的算法之一。1 9 7 4 年，b r u n i n g 和他的同事详细地描述了t p m 的原理，采用压电陶瓷( p z t ) 作为相移元件，推动用于反射参考光的镜子，以改变参考光的光程。用p z t 可控制参考光的光程变化为几分之一个波长。b 咖i n g 的工作被很多人认为是相移技术的发端。p z t 是目前应用最广泛的引入相移的方法。目前，t p m已成为干涉计量中的一种常规方法，得到了非常广泛的使用。对t p m 的研究也非常广泛，产生相移的方法己达十种左右。由于相移法具有很好的实用性，因此目前国际上对于能够满足相移法测量条件的情况，都采用相移相位测量技术。例如，陈金龙等利用偏振相移错位散斑干涉技术对双界面材料粘接质量进行了定量检测1 3 3 j ；f s c h 卸等用错位散斑相移技术测量板的曲率和扭曲变形删；该方法目前也被用于蜂窝夹层结构粘接质量的检测【3 5 】，以及物体的三维形貌测量【3 6 1 。然而，相移技术也有其局限性，因为相移法通常需要3 幅以上带有不同相移场的条纹图，这个基本要求使其无法应用于冲击、振动等许多动态实验中，其应用范围受到很大的约束。同时，相移法需要精密的相移装置，相移本身也会带来一定的误差。1 2 2 相位测量技术的发展和现状上世纪8 0 年代，随着大规模集成电路的出现、c c d 固体摄像器件的发展，进一步促进了相位测量技术的发展。采用c c d 采集条纹图的光强信息，通过图像采集卡把条纹量化为数字量存储在计算机中，通过相应的算法进行相位的求解，并自动显示出被测物理量的信息，不仅实现了测量的自动化，并且提高了测量精度旧。在现代高精度测量中，光学相位测量技术的应用是不可或缺的，尤其是在电子散斑干涉技术中进行变形测量和无损检测方面。1 9 9 0 年国际光学工程学会( s p i e ) 年会把相位测量首次列为会议报告的专题，而在1 9 9 1 年年会上也列为会议报告专题1 3 8 j 。1 9 9 0 年，g m b r o w n 等人提出了计算机辅助全息光弹性测量，将相位测量技术应用干光弹性应力分析，得到了较理想的结果。由y y h u n g 提出的错位散斑技术也已采用相位测量技术。国内方面，天津大学博士学位论文天津大学、国防科技大学、四川大学、山东师范大学、昆明理工大学等开展了很多这方面工作【”4 引，将相位测量技术应用于缺陷检测、三维形貌测量等，取得了很好的效果。现在相位测量技术已成为光学干涉计量术一个不可缺少的部分，也己成为计算机辅助光学测量的一个重要内容。总之，相位测量技术是综合利用包括激光技术、图像采集技术、电子技术、信息和图像处理，计算机、精密仪器和自动化技术等发展起来的一种提高光学测量精度的数字化新方法，具有十分广阔的应用前景。1 3 偏微分方程图像处理方法基于偏微分方程( p a r t i a ld i 毹r e m i a le q u a t i o n ，简称p d e ) 的图像处理是图像处理领域中的一个重要分支【4 8 1 ，其应用范围几乎覆盖了整个图像处理领域。用偏微分方程进行图像处理的基本思想是把待处理的图像作为初始条件，把图像处理变换看作偏微分方程的算子，利用偏微分方程把初始图像变形，从而将偏微分方程的解与图像联系起来，通过求解偏微分方程实现图像滤波f 4 9 1 、对比度增强【5 0 ，5 ”、边缘检测【9 5 1 、图像分割【5 2 ，5 3 1 等操作。偏微分方程模型可以从两种途径导出。早期，人们从图像扩散问题出发导出了偏微分方程滤波模型。在这个领域，使用偏微分方程进行图像处理的思想可以追溯到g a b o r 【5 4 j ，但是在该领域实质性的创始工作应该归功于k o e n d e r i “5 5 j 和w i t k i n 各自独立的工作，他们引入了尺度空间( s c a l es p a c e ) 的概念，把一组图像同时在多个尺度上表述，用时间尺度f 来描述图像的演化，将多尺度图像表示为高斯滤波器处理的结果。尺度空间理论是今天图像处理中对偏微分方程研究的基础。1 9 8 3 年，w i t k i n 发现图像信号经过高斯滤波后的结果与热传导方程存在一定的联系，并由此提出了最早的图像滤波模型各向同性的热传导方程【5 制。为了克服热传导方程在滤波过程中造成的图像边缘严重模糊的问题，1 9 9 0 年，p e r o n a 和m a l i k 提出一个可以控制图像中不同部分扩散速率的模型，以系数方向性分布取代高斯平滑，保留边缘信息，揭开了一系列对偏微分图像处理领域理论和实际问题的研究p7 | 。此外，从最优化的问题出发，即变分方法也可以得出图像处理中的偏微分方程【5 8 】。其主要思想是根据图像处理的目的和具体实施方法设计一个能量泛函，通过变分法把这个泛函的极值问题转化为对偏微分方程的求解。在这方面，d m u m f o r da n dj s h a h 作出了突出贡献，他们提出了一个能量泛函，并成功运用偏微分方程处理图像分割问题，同时统一了大量图像分割方法1 5 引，直到现在该模型第一章绪论仍然是一个较为常用的方法。1 9 9 2 年，r u d i n 等人提出了图像函数的总变分模型来作为衡量“最优 的尺度岬】。由于总变分最小化能够抑制噪声，同时并不对解强加一种平滑作用，这样可以使解的跳变边缘得到保持【6 1 1 ，因而得到了广泛的应用。由于基于偏微分方程的图像处理方法具有方案灵活、结果准确、易于操作等优点，因而得到了广泛的应用，其应用范围包括图像识别、图像分割、图像重建、图像边缘提取、图像检索、医学图像处理、彩色图像处理、动态图像分析等【6 2 趣】。我国的研究人员从2 0 世纪9 0 年代中期开始关注这个领圳6 9 7 2 】，中科院自动化所、北京大学、复旦大学中法应用数学研究所、北京师范大学、上海交通大学、南京理工大学、东南大学、哈尔滨工程大学等陆续开展了这方面的研究工作1 7 3 1 。付树军等总结了偏微分方程模型在图像处理中的若干应用，同时指出了应用偏微分方程模型进行图像处理的优剧7 4 】，主要包括以下三点：第一，通过建立连续模型便于对实际问题的理解和数值处理；第二，能够获得较好的处理效果，特别对于视觉上重要的几何特征( 例如梯度、切线、曲率等) 和动态视觉处理过程( 例如选择性扩散、信息传输机制等)具有较好的控制和模拟；第三，数学上完备的偏微分方程理论和丰富的数值计算方法，也为图像处理提供了很大的帮助。1 4 轮胎缺陷检测1 4 1 轮胎缺陷检测的必要性轮胎是最常见和最常用的工业产品之一。它们是社会与人类生活必不可少的产品。经过几十年的发展，我国轮胎工业已达到相当大的规模，目前国内轮胎总产量居世界前列。随着汽车工业和道路交通产业的迅猛发展，我国轮胎工业也随之得到空前的发展。汽车工业和公路运输业的发展对轮胎工业提出了越来越高的要求。随着国家对交通运输安全的重视，轮胎质量检测问题已经引起众多轮胎生产厂家的关注。轮胎的内部缺陷脱层和气泡是在轮胎制造过程中产生的。在轮胎制造过程的压延和成型等工序中，如果胶与胶、帘布与胶之间夹杂油污或污垢，或者帘布与胶之间的气体没有完全排出，就会导致轮胎内部产生脱层和气泡。这些产品质量问题直接影响到用户的车辆及载物的安全，尤其是直接波及到人的生命安全，对社会及家庭造成巨大危害。由于轮胎气泡缺陷的存在，轮胎高速行驶天津大学博士学位论文时缺陷处发生错位应变，导致屈挠生热和应力集中，并使缺陷不断扩大。如果缺陷在胎面胶处，极易发生甩胎面事故；如果缺陷在胎体中，极易发生爆胎事故。从有关部门的统计资料上可看出，目前高速公路发生的交通事故中2 3 是由轮胎引起的，而其中7 0 是由轮胎质量造成的，因此确保成品胎的质量是至关重要的【7 引。一些汽车工业发达的国家在上世纪4 0 至5 0 年代就发展了以故障诊断和性能调试为主的单项检测技术。到7 0 年代初，在计算机技术的支持下，检测的控制和处理逐渐向自动化方向发展。1 4 2 轮胎缺陷检测方法轮胎是橡胶与布帘、全钢金属线网等交叠制成的多层结构，制作过程中在交叠处易混入杂质，出现气泡、脱层等缺陷，以往的传统检查是随机抽样，解剖观察。这种破坏性的解剖检验不仅损耗了若干轮胎，也不能保证所有的轮胎都是合格的【76 1 。无损检测则是在不损坏轮胎结构材料、不改变轮胎形状和尺寸的前提下对轮胎进行性能测试的项目。目前的轮胎无损检测方法主要有三种。x 光线轮胎检测方法是利用x 光对有机物质穿透能力强而对金属材料穿透力较差的特性来检查轮胎内部的缺陷，诸如断丝、交叉、弯曲，人工异物、压物等。由于轮胎内部各部分的材料不同，密度和厚度不同，导致对x 光线的吸收程度不同，在x 射线接收器上( 光电传感器) 收到的x 光辐射量也不同。利用光电传感器把x 射线辐射的光信号转换成对应的“模拟电信号”，经a ，d 转换后，变换成对应的数字图像信号，得到轮胎断面上各单位面积x 射线的辐射量，其结果形成了数字矩阵，经过图像处理软件处理，依据材质密度不同，把轮胎断面的结构转换成用黑白不同的灰度等级表示的图像，在对应的显示器上显示出来。这是一种比较常用的方法1 7 卜7 9 】，也是一种有效的用于金属杂质的检测方法。该检测方法对于稀线、钢丝弯曲、帘线排列不均、帘线重叠、帘线断等缺陷效果明显，但是对于气泡缺陷检测效果不好，这是因为当轮胎中的空气层较薄时，空气层对x 光线的吸收程度和周围区域比较而言差异不大。激光全息照相无损检测方法是把光路系统布置在轮胎内侧，在常压下和真空状态下对用特定波长激光照射的轮胎表面照相，并使两次曝光结果叠加，根据叠加后不同的畸变干涉条纹判断内部气泡、帘布脱层等缺陷。一般压力下降几千帕时，缺陷产生的异常变形使照射在其上的激光光程产生微纳数量级的变化【8 们。轮胎缺陷部位的大小可从全息图的异常畸变条纹中确定，而部位的深度可通过异常条纹的间距大小来确定。这种方法检查精度高，检查效果好，但是对防震性要求很高，技术难度大，操作要求高，检验成本较高。第一章绪论近几年新出现的轮胎激光错位散斑相移无损检测法，是激光全息照相方法与计算机数字图像处理技术结合的产物，是激光无损检测技术数字化的最新发展成果。激光数字错位散斑相移轮胎无损检测技术在检测中通过高分辨率的c c d 摄像系统和精确的相移技术以及相位同步算法，将轮胎受力变化过程中的信息以散斑图或相位图的形式实时记录下来，再应用光电转换技术将光信号转换为数字信号，然后通过图像处理软件和图像分析软件进行计算和分析，从而得到描述轮胎形变一阶导数的相位图，通过自动计算这些畸变部位的面积，使得轮胎内部缺陷被准确地检测出来1 8 1 l 。这种方法检验精度高、速度快、成本低，可以实现在线检测。虽然尚未定为官方标准，但各知名轮胎生产企业己将其作为本企业最主要的检测手段。相信定为官方标准为时不会太远【8 引。综合三种轮胎缺陷检测方法的优缺点，对于轮胎内部的气泡缺陷，最有效、最便捷的是激光散斑无损检测法。错位散斑与x 光检测之间的关系在很长一段时间内曾经存在这样的误区，认为“两者之间是一个取代与被取代的关系 。但是无论从理论上还是实际上都证明了两者之间是一种良性互补的关系。x 光检测方法可以很容易检测出轮胎胎冠、胎侧部位钢丝帘线的排布情况，但对气泡缺陷检测能力不足。散斑检测方法易于检测气泡，但由物理原理决定了它不适合检查轮胎钢丝帘线及其它结构上的问趔韶j 。1 4 3 错位相移轮胎无损检测技术的发展历程3 0 年来，错位散斑轮胎无损检测技术的发展一直伴随着激光技术、感光技术与数字技术的发展。从2 0 世纪七八十年代的气体激光器，到2 0 世纪9 0 年代初的固体激光器以及9 0 年代中期开始广泛使用的半导体激光器；从干板、胶片到c c d 、c m o s 相机；从显影、定影的化学处理到数字图像处理；从开始的单探头技术到9 0 年代末的多探头技术。在方方面面不断发展的基础上，错位散斑的检测效率大大提高，投资性价比进一步改善。欧美国家对钢丝子午线轮胎及翻新轮胎进行无损检测的要求比较严格，无损检测对这些轮胎厂家来说是必检项目。国外的激光数字错位散斑轮胎无损检测技术已非常成熟，轮胎行业应用该技术已进入普及阶段，德国和美国是研发设计和推广应用该技术的先驱。德国s t e i n b i c h l e r 公司专门为轮胎行业设计生产了全场快速非接触非破坏实时显示激光数字散斑轮胎无损检测仪。该检测仪采用自动装卸胎系统、轮胎自动识别和定位系统。它可对整条轮胎进行检测，一个扫描周期的检测可在2m i n 内完成，缺陷分辨率为1m m ，并可自动识别缺陷位置和大小，适用于外直径小于1 6 0 0m m 的任何航空轮胎的检测捧。天津大学博士学位论文我国一些著名的轮胎企业，如沈阳三橡轮胎有限公司、上海轮胎橡胶( 集团)股份有限公司从德国引进激光错位散斑轮胎无损检测仪，对轮胎进行无损检测。我国也开始了激光错位散斑轮胎无损检测仪的自行研制，广州华工百川科技有限公司、曙光橡胶工业研究设计院在这方面走在国内前列。1 5 本课题研究的目的和意义如前文所述，准确有效地滤波对提取物体的相位信息至关重要。图像平滑包含两个方面内容：一是消除噪声，二是增强( 或保护) 图像特征。在实际中这两点也总是结合在一起的，需要在这两者间取