（精密仪器及机械专业论文）基于相移轮廓术的快速测量技术研究及仪器开发(精密仪器及机械专业优秀论文).pdf

摘要 高效。二是仪器采用单片机控制， 计算机通过串口 完成对仪器的所有控制，其 优点在于仪器更加智能化，更便于操作。 论文 最后针对本课题进行了总 结并 对后续工作进行了展望。 在附 录中给出了 仪器最关键部件即自制控制板的电路图和实物图。 关键 词: 三维面形测量， 相移轮廓术， 相位去包裹，拼接技术 ， u s b总 线 ab s t r act t h r e e d i m e n s i o n a l s u r f a c e m e a s u r e me n t h a s b e e n w i d e l y u s e d f o r ma c h i n e v i s i o n , i n d u s t ry m o n i t o r i n g , b i o m e d i c i n e , r e a l o b j e c t v i s u a l i z a t i o n e t c . c u r r e n t l e , t h e h o t s p o t s o f t h e t h r e e d i m e n s i o n a l s u r f a c e m e a s u r e m e n t a r e m o s t l y f o c u s e d o n r e a l i z i n g r a p i d , h i g h - a c c u r a c y n o n - c o n t a c t m e a s u r e . p h a s e s h i ft p r o f i l o m e t ry ( p s p ) b a s e d o n fr i n g e p r o j e c t i o n i s o n e o f t h e p o p u l a r n o n - c o n t a c t fr il l - fi e l d 3 - d m e a s u r e me n t m e t h o d s .i t i s v e ry s u i ta b l e f o r re a l i z i n g r a p i d a n d h i g h - a c c u r a c y m e a s u r e , b e c a u s e i t h a v e s o m e a d v a n t a g e s , s u c h a s e a s y t o d a t a p r o c e s s 吨 b y c o m p u te r , i n s u s c e p t i b l e t o s u r f a c e r e fl e c t i o n r a t i o o f t h e o b j e c t , h a v i n g h i g h l y m e a s u re m e n t a c c u r a c y , a n d s o o n . t h e p a p e r i n t r o d u c e s t h e l a t e s t d e v e l o p m e n t o f t h e 3 d m e a s u r i n g t e c h n i q u e s a n d p r e d i c t s t h e t e n d e n c y o f t h e 3 d m e a s u r e m e n t .t h i s p a p e r d i s c u s s e s t h e t h e o ry a b o u t t h e m e t h o d o f p h a s e s h i ft p r o f i l o me t ry s y s t e ma t i c a ll y a n d s t u d y t h e k e y t e c h n i q u e s o f p h a s e s h i ft p r o f i l o m e t ry i n d e t a i l . a l s o w e d e v e l o p t h e 3 d m e a s u r i n g d i g i t a l a p p a r a t u s b a s e d o n t h e t h e o ry o f p s p t h i s p a p e r o v e rv i e w t h e m e t h o d o f 3 d m e a s u r i n g t e c h n i q u e s a n d s u m m a r i z e t h e re l a t i v e m e r i t s a n d u s a g e o f a n d t h e m f i r s t l y . t h i s p a p e r e x p a t i a t e t h e p r i n c ip l e o f p s p a n d d e d u c e t h e f o r m u l a o f h e i g h t , a n d g i v e t h e e x a m p l e o f p s p i n t h i s p a p e r , w e s t u d y u n w r a p p i n g p h a s e a n d s h a p e i n t e g r a t i o n a p p r o a c h i n d e t a i l . f i r s t , i t d i s c u s s t h e b a s i c q u e s t i o n o f t h e u n w r a p p i n g p h a s e b a s e d o n s u d y o f m o n o g r a p h a n d l i t e r a t u r e i n r e c e n t y e a r s . t h i s p a p e r d i s c u s s e s h o w t h e u n w r a p p e d p h a s e c o m e s i n t o b e i n g , d e s c r i b e s t h e p r o c e s s i n g o f t h e u n w r a p p i n g p h a s e . d i s c u s s 吨 t h e p a t h f o r e c a s t i n g u n w r a p p i n g b a s e d o n r e g i o n , a n d s t u d y o n h o w t o i m p r o v e o n i t . i n t h i s p a p e r w e a l s o s t u d y s e v e r a l f a m i l i a r p h a s e - u n w r a p p i n g m e t h o d s a n d p r o b e i n t o t h e c o n d i t i o n s i n w h i c h e a c h p h a s e - u n w r a p p i n g m e t h o d i s a p p l i e d . t h i s p a p e r g o e s i n t o re s e a r c h a b o u t 3 - d s h a p e i n t e g r a t i o n a p p r o a c h a n d p u t f o r w a r d t w o k i n d s o f m e t h o d s t o a c h i e v e 3 - d i n t e g r a t i o n o f t h e l a r g e o b j e c t s s h a p e . o n e i s t o c o n n e c t i o n t h e s e p a r a t e d d i s t o r t e d g r a t i n g i m a g e t o r e s u me t h e w h o l e p r o f i l e o f t h e o b j e c t . a n o t h e r i s t o r e s u m e f i r s t l y t h e p r o f i l e o f a l l p a r t s o f t h e o b j e c t ab s t r a c t s e p a r a t e d l y a n d g e t t h e w h o l e p r o f i l e t h r o u g h 3 - d i n t e g r a t i o n . l a s t l y . w e d e s i g n a n d i g i t a l 3 - d m e a s u r i n g a p p a r a t u s b a s e d s t u d y i n g o n t h e o ry o f p s p . t h e i n n o v a t i o n o f t h e a p p a r a t u s i s a d o p t i n g n e w m e t h o d o f i m a g e a c q u i s i t i o n - i m a g e a c q u i s i t i o n b y u s b c c d c a m e r a b a s e d o n s t u d y o n a c h i e v e m e n t s o f o t h e r s . s l o v i n g t h e p r o b l e m o f i m a g e c a r d a n d c c d i s s e p a r a t e b y i m a g e c a r d b u i l t - i n c c d c a m e r a . a n d t h e a p p a r a t u s i s m o r e i n t e l l i g e n t a n d c o n v e n i e n t f o r m a n i p u l a t i o n b e c a u s e i t i s c o n t r o l l e d b y s c m . i n t h e e n d o f t h e p a p e r , t h e a u t h o r h a s a s u m m a ry a n d p r o s p e c t a b o u t t h e t a s k , a n d s h o w t h e c i r c u i t d i a g r a m o f t h e c o n t r o l b o a r d . k e y wo r d s : t h r e e d i m e n s i o n a l s u r f a c e m e a s u r e me n t , p h a s e s h i ft p r o f i l o m e t ry ( p s p ) , u n w r a p p i n g p h a s e , i n t e g r a t i o n a p p r o a c h , u s b b u s i v 学位论文独创性 声明 学位论文独创性声明 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 作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人己 经发表或撰写 过的研究成果， 也不 包含为获 得 南昌大学 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木研究所做的任何 贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学 位 论 文 作 者 签 “ (手 “ ) -i 0期 :?,- t7 年 乡 月伽 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解南昌大学有关 保留、使用学位论文的 规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。 本人授权南昌大学可以 将学位论文的全部或部分内 容编入 有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学 位 论 文 作 者 签 名 (手 写 ): ; 单 岭 签 字 日 期 :甲 年 月 一 日 导 吟手 i92 f , , 签字 日期 :吵 月 一 日 学位论文作者毕业后去向: 工作单位:电话: 通讯地 址:邮编: 第 1 章 引言 第i 章 引言 1 . 1三维面形图像测量背景 三维面形图像测量 i 1 ( 简称三维测量) ， 主要目 标是物体表面轮廓的三 维尺 寸和形状，是测量技术的一个重要分支。三维面形图像测量是图像测量技术在 三维面形测量领域中的应用。所谓图像测量，就是当测量被测对象时，把图像 当作检测和传递信息的手段或载体加以利用的测量方法，其 目的是从图像中提 取有用的信息用以得到测量值。 三维面形图像测量是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要 用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的 重要 意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物 数字化提供了相当方便快捷的手段。 三维面形图像测量的主要优点有以下几个方面:( 1 )可实现非接触测量。 对观察和被观察者都不会产生任何损伤， 可以测量柔软对象或是无法直接接触 对象:( 2 )检测对象广泛。不受被测对象材质及表面物理特性影响，尤其适合 人体及其它较为复杂的自由曲面:( 3 )测量速度快。可以在不到一秒钟时间内 采集两幅或五幅图像。采集的后处理工作与图像采集相互独立，因此需时相对 较长的数据运算及可视化工作并不影响采集工作进程。( 4 )硬件实现相对容易. 与三坐标测量机或激光三维扫描设备相比较而言，三维图像测量系统的硬件要 求较低，因此，在成型产品 价格方面有着后两 者无法比 拟的优势。 ( 5 ) 发展空 间 大。目 前三维图 像测量技术只在一些技术环节 上较为 成熟，但在整个系统产 品 上仍然不完善， 软、硬件都有相当大的 发展空间， 这也正是它成为 近年来计 算机学科中 最热门 研究的原因之一。 随着科技的进步以及一系列与 三维测量相关学科的发展。如: 激光技术、 精密计量光栅制造技术、计算机技术、数字c c d一体化技术、图 像信息处 理、 计算机视觉 以及计算可视化等高新学科的发展又给三维测量注入了新的活力。 随着对三维测量的深入研究， 人们更 加认识到这一学科的学术价值及实际 应用 价值。 第1 章 引言 1 . 2三维面形测量对逆向 工程的意义 随着社会经济的发 展， 人们生活水平的不断提高， 人们在购买东西的 时候， 已 经不仅仅是功能需求， 越来越关 注产品的外观特征， 看看我们生活中随处可 见的各种消费品，手机，汽车，玩具，mp 3 ，都有光滑的曲面，流线型的外表。 产品的美观成为人 们消费的 一个很大的动力。 对于复 杂的曲 面形状的产品，用 传统的方法很难完 成产品的 设计和制造，或者即使能 够实 现， 但也费时费力， 精度差。逆向工程 5 - 7 1 作为一种产品创新设计的重要手段， 为我们解决复杂曲 面 产品快速精确的设 计和制造提供了 技术保障， 其在敏捷制造、 虚拟制造中发挥 巨 大作用。所谓逆向 工程技术，是指用一定的测量手段 对实 物或模型进行测量， 根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物 c a d模型的过程。目前，逆向 工程技术己 经在下述领域得到应用: 复制没有原始图 纸记录的 产品零件; 既有产品零件的外形或性能己经不能满足现状要求，必须通过必要的分析和修 改对该产品进行再设计; 在汽车、造船等工业部门，当 产品的美术设计十分 重要时，设计师往往先通过制造实际比例的木模或粘土模型来评价设计，而不 是通过高分辨率的显示屏观察一个比例缩小的投影模型来作出评价:进行人 体装备拟合，对诸如头盔、太空服、假肢等一些功能复杂、价格昂贵的产品进 行拟合设计等。出于对产品性能和外观等方面的考虑，越来越多的零件采用自 由曲面的形式。 逆向工程c a d技 术一般以数字化测量设备的输出数 据为原始信息来源 幻 。 只有在得到要逆向的实体的 表而三维信息，才能实现后面的 工作，如模型的检 测，复杂曲 面的建 模、 评价、改 进和制 造。三维测量 数据的 好坏直接影响到对 被测实体描述的 精确、 完整程度， 影响到数字化实体几何信息的 速度，进而影 响到重构的c a d曲 面、 实 体模型的 质量， 并最终影响到 整个工程的进度和质量。 因此，它是整个工 程的基 础， 也是逆向工程技术的 一个关键技术部分，如何快 速、准确地获取被测物体表面大量的测量数据是 目 前三维测量技术研究的重点 内容之一。 随着三维面形 测量技术不断 发展，它必将在更多的 领域得到应用，可以 展 望的如:在动画制 作中 快速地创作出逼真的数字化三维模型; 现在电子文档已 经在人们工作生活中占 据着越来 越重要的作用， 三维照片的 普及相 信会给人们 带来更加真实和立 体的回 忆: 在考古、文物储存等方面， 工作人员可以方便地 为文物留 下精确的 备份; 更便捷的创建 三维数字图 像数据库、 数字图书馆和数 第 1 章 引言 字博物馆等。 1 . 3本文主要研究工作 本文根据国内外的现状概述了目前三维型面测量的主要方法，并对各自的 优缺点做了总结:系统地研究了基于相移技术的投影栅相位法理论体系，详细 的阐述了相移轮廓术的基本原理，并对其精度进行了分析;对相移轮廓术中的 相位去包裹及拼接技术等进行了深入的研究，利用有关的原理和算法编制了相 应的软件，并进行了试验。 以 相移轮廓术为 理论基础，开发了 更加智能 化的三维测量仪器系统，实现 了三维面形更加快速精确的测量。仪器硬件方面对 c c d模块、投影光路模块、 相移模块等都做了细致介绍，同时编写了相关的软件程序。 第 z 章 三维面形测量方法概述 第2章 三维面形测量方法概述 物体的 三维轮廓包含了 物体的全部形状信息， 因此， 对物体三维轮廓的 测 量可以 使人们更全面、 深刻地认识物体。物体表面轮廓的 三维尺寸和形状的 测 量 ( 简称三维面型 测量)是 现代测量技术的一个重要分支， 随着现代 科学 技术 的发展，人们对物体轮廓面型测量提出了越来越高的要求。随着激光技术、精 密计量光栅制造技术、计 算机图像处理技术等高新技术的 发展，使得 三维 测量 技术迅速发展. 并在模具测量和汽车制造 b 、 人体 测量和医学诊断 9 - 1 01 、生 产过 程监控及质量控制 ， ” 、 交通检测 及航空管理、 运动分析、 三维物体测量及 三维 重构 1 2 1 、以 及复合材料变形研究 13 1 等方面得到应用。下面简单概述了 三维型面 测量的各种方法。 物体型面的三维测量主要包括接触式和非接触式两大类，每一类又包括各 自的子类。由于目前各个学科的交叉以及各项技术的结合，各子类的技术也有 不同程度的交叉，故不同的分类方式有不同的分类结果。 2 . 1接触测量法 主要方法是使用 三坐标测量机进行测量， 三坐标测量机 1 4 - 1 5 是2 0 世纪6 0 年 代发展起来的一种新型精密测量仪器，它以精密机械为基础，综合应用了电子 技术、计算机技术、 光学技术和数控技术等先进 技术。 广泛应用于制造、电子、 汽车、 航空 航天等领域。 测量过 程中，首先将各种几何元素的测量转化为 这些 几何元素上的 点集坐标位置的测量，然后再由 软件按一定的 评定准则算出 这些 几何元素的尺寸、 形 状和相 对位置 等， 它的 坐标测量精度可以 达到u m量 级。 德 国的z e i s s 、英国b r o w n 可以 对被测 物 体 边 界 精 确 测 量 : 测 量 精 度 较 高。 但 这 种 测 量 方 法的 缺点 也比 较明 显 : ( 1 ) 测 量速度慢， 效率低;( 2 ) 由 于测量 过程中与 被测 物体 表面接触，存在作用力，因 而该方法不能对软 质材料和超薄形物体进行测量; ( 3 ) 接触测头 本身有一定尺寸， 因此被测物体细微部 分的 测量精度也受到影响， 虽然可以 进行相应的 三维补偿， 第2 章 三维面形测 量方法概述 但仍然限 制了 它的应用范围: ( 4 ) 测量路径需要人工干预，目 前还无法实 现全自 动测量: ( 5 ) 接触测头的 扫描路径不可能遍历被测曲 面的所有点，它获取的 只是 关键特征点，因而，它的测量结果不能反映整个零件的形状。 为了 克服三坐标测量机由于接触物体表面测量而造成的影响，也有人将非 接触测量引 入三坐标测量机中 le t ，使两种技术相融合。 这样的 确克服了 三坐标 测量机 接触测量的 缺陷。但其两种原理的 混合应用，也使 得测量 系统更 为复杂， 造价更为昂贵。 2 . 2非接触测量法 2 . 2 . 1双目交汇测量法 这 是一种利用人眼的视觉原理进行测量的方 法f v l ， 如图2 . 1 所示， 当 两台摄 像机同时瞄准一个目 标时，若两台摄像机的距离已 知，被瞄准点的三维坐标就 可以计算出来。 图 2 . 1双目交汇测量法原理图 二 = y b y a + x b tg o 2 - x a tg b i t g 9 2 一 t $ 9 1 ( 2 . 1 ) y = y b 一 x b t g 9 2 一 x t g e 2 : = , 1 ( 二 一 ) ， + ( y 一 y a )2 c tg f . + 砍 二 一 ) ， + (y 一 y s )2 c tg ,6 2 + ( z a 十 : b ) / 2 ( 2 .2 ) ( 2 . 3 ) 式中 : x a y a i z a 为 摄 像 机a的 三维 坐 标点 ; x b i y b + z b 为 摄像 机b 的 三 维 坐 标 第2 章 三维面形测量方法概述 这种方法的测量精度高， 测量范围 大，并 且测量方式可以根据被测目 标的 不同合理布局测量元件。 在实际测量过程中， 两台 摄像机可以固定 在经纬仪上，因经纬仪是通常用 于野外作业的仪器， 所以 此套系统对环境有很强的适应性。 它可以 广泛地应用 与航天航空工业中 各种型架及大型结构的测量、大型 机械零 部件的几何尺寸测 量及安装定位、 结构变形测量等。这种测量方法原理简单， 但由于需要在两幅 图像中寻找对定点的匹配，实际计算过程较为复杂，测量速度慢、工作量大。 2 . 2 . 2激光扫描法 近 年 来随 着 激 光 技 术 的 发 展，激 光 三 角 形 法 (la s e r - b a s e d t ria n g u la tio n ) 逐 渐 得到广 泛应用。 它 所采用的 光源主要 有点结 构 19 1 、 线结 构 2 8 - 2 1 1 和双线结构 18 . 它 的基本原理是光学三角形原理，如图 2 . 2 所示。由图可以得到: l = b / t a n ( o - y ) , y = a r c t a n ( d / f ) ( 2 . 4 ) 由此可以得到深度信息l 。 这种方法具有原理简单、 测量速度快和精度高等 优点;缺点是对物体表面特性和反射率、复杂程度等有较大限制。 / ，厂 图2 . 2光学三角形原理图 目 前采用激光扫描技术的三维信息获取技术己经商品 化， 采用的光源多为 线结构 光。 典型的 有美国 的c y b e r w a r e 公司和德国的t e c m a t b 公司。 他们开发出 了满 足不同 场合的 系列产品以 及相关软件。以c y b e r w a r e 的wb 4 型三维人体彩 第 2 章 三维面形测量方法概述 色扫描仪为例，其扫描范围为直径 1 1 2 m x高2 m ，扫描时间为 1 7 s 左右，采样 间距水平方向为 5 m m，垂直方向为 2 m m ，深度方向为 0 . 5 m m ，采样速率为 6 0 0 0 0 d o t / s ，同时记录物体的 8 b i t s r g b彩色信息，并提供多种格式的输出. 2 . 2 . 3千涉测量法 干涉法测量技术利用光的相干性原理对物体形状进行测量，当两束相干性 好的光束在被测物体表面某一点相 遇时，其光波发生干涉， 在形成的干涉条纹 中反映了 物体 表面的 轮廓信息. 记录 这些条纹 ( 一 般采用 全息 照相的 方法) ， 测 量出其相位差， 再由 相位信息转换为 物体表面的轮廓信息。 特别是 激光问 世以 来，干涉测量法得到迅速发展，涌现出了双光干涉、多光束干涉、外差千涉、 全息2 2 - 2 2 j 等多 种方法。 全息干涉法的测 量分辨率 可以 小到光波的 百分之一， 但需 要相干性好的激光光源和精确的干涉光路，其测量范围较小，在 l 0 0 m m以内。 外差干涉法能得到很高的测量精度，但其代价是极慢的测量速度和价格昂贵的 系统成本。干涉法测量尺寸范围小，对环境要求很苛刻，主要应用于微应变、 微缺陷、微结构的检测，而其测量范围又决定了被测表面必须是平滑而缓变的。 2 . 2 . 3 . 1白光干涉法 采用白光做光源，通过定位表面各点的零光程差位置来获取各点的相对高 度， 通常 用多帧移 相算法， 常用的 包括三帧、 五帧移相法。白 光干涉法2 4 -2 5 对光 源的要求低，克服了单色光干涉法需单值解相的缺点，测量精度高，可以达到 亚纳米的分辨力;但是需要机械扫描机构，不稳定性影响分辨率，同时数据量 庞大，难以实时。目前，wy k o和 z y g o公司都有基于白光干涉原理的产品。 2 . 2 . 3 . 2相位测量法 投影栅相位法是 三维轮廓测量中的热点之一，其测量原理是光栅投射到被 测物体表面， 相位和 振幅受到物面高度的调制使 栅像发生变形，通过解调可以 得到包含高 度信息的相位变化， 最后根据三角法原理完成相位 一高度的 转换。 根据相位检测方法的不同，主要有莫尔等高法、变换法、移相法。 ( 1 )莫尔等高法 莫尔等高 法是利用粗光 栅阴影 法来形成被测物体的 三维形状等高线图， 通 常分为影像型、投影型和扫描型三种。 影像莫尔法m i 采用基准光栅， 把它放在靠近被测物 体表面处，用点光源或 第 2 章 三维面形测量方法概述 平行光源照射基准光栅，在观察点透过基准光栅可以 观察到等高 线图，即 相同 的 亮点 ( 或 暗 点 ) 的 连 线 ， 其 原 理 如 图2 .3 所 示 。 鉴 于 此 原 理， 影 像 莫 尔 法 的 测 量 范围必须小于 所使用 基准光 栅的范围， 而制作大面积、 高精度的 基准光栅十分 困难， 所以只 适合测量较小尺寸的物体。 另外，当被测物体表面梯度变化较大 时，投影到表面的栅线易发生散射而变得模糊，限制了 被测物体的 可测景深， 所以只适合测量表面变化较为缓慢的物体。 p o i n i la mp o c a m e ra 图2 . 3影像莫尔法光路原理 投影莫尔法1 26 3 : 利用光源将基准光栅经过聚光透镜投影到被测物体表面， 经物体表面调制后的栅线与观察点处的参考栅相互干涉，从而形成莫尔条纹。 它与 影像莫尔法的主 要区 别在于在投影光和 接收 器附 近各放置 1个光 栅， 这样 就可用较小的高密度栅板代替较大尺寸的基准栅板来检测较大的物体，扩大了 检测物体的范围. 一般， 这种方法的 检测精 度和条 纹分辨率没有影像莫 尔法高， 适合测量较大的物体。 扫描莫尔法 v : 其投影 侧与投影莫尔法相同，但在观察侧不用第二个光栅 来形成莫尔条 纹， 而是用电 子扫描光栅和变形像叠加生成莫尔等高 线。 它的优 点是 利用现代电 子技术，可以很方便地改变扫描光栅栅距、相位等。 生成不同 相位的莫尔 等高 线条 纹图像，便于实现计算机自 动处理.但缺点是需要扫描机 构，数据获取速度低、稳定性较差、对噪声敏感。 ( 2 )变换法 常见的方法包括傅里叶变换、小波变换。 傅氏 夺换较廓测量法a 利用数字滤波技术，将频率较高的载波和频率较低 第 2章 三维面形测量方法概述 的 面形分离出来，然后进行反变换，得到包含高度信息的相位。 傅氏变换 轮廓 测量法用一幅图得到相位值，数字滤波技术可以消除高次谐波的影响，但是计 算量大， 使用 f f t产生的泄漏、混频、栅栏效 应产生 误差; 数字滤波器需 要不 断试错才能得到正确的参数。 小波变换 m i 。 傅立叶变换对曲 面可测梯度极限有要求，同时对复杂形面检 测效果很不理想。利用小波变换对原始图像进行多级小波分解，将原始图像和 被测物体背景图像相减后再对图像进行频域处理。由于直流分量被抑制，容易 提取载波频率成分， 提高了可测梯度，改善了解 相的精度稳定性，使频域解相 技术在实际应用中取得更好的效果，扩大了应用范围。 ( 3 ) 移相法 移相法可分为空域移相和时域移相。 a . 空 域移相法2 9 1 是采用 2个窗函 数直接卷积原条纹图， 从而产生多 幅相移 条纹图，并用时间相移法公式计算相位。这种方法要求载波频率很高，且背景、 条纹幅值和相位变化要缓慢，否则将产生较大误差。这种方法的分辨率要比相 应的n步时间相移法差 n倍。 b . 时域移相法中主要是投影光栅相移法又称相移轮廓术 0 ( p h a s e s h i ft p r o f i l o m e t ry，简称 p s p ) ，是属于位相测量轮廓术 ( p h a s e m e a s ur e m e n t p r o f i l o m e t ry， 简 称p m p ) 中的一 种。 该方法基于正弦光 栅投影， 利用硬件或软 件 移动光栅的方法获取n幅 ( 至少为3 幅) 变形光场图像， 再根据离散相移技术， 按 n步相移算法计 算出相 位分布，最后利用几 何关系求得物体表面的高度 信息 0 4 1 。 相移 轮廓术与其它方法相比 有处理方法简单、利于计算机高速处理、 不受 物体表面反射率的影响和测量精度高的优点。 在测量过程中，消除物体表面非均匀散射形成的图像背景噪声、准确判读 千涉条纹的 相位，是完成测量要解决的基本问题。解决的 有效方案是通过不同 形式的 相移装置 精确移动光栅， 首先形成移植干涉图， 然后利用相移前的 干涉 图 像及两 幅以 上的 移值条纹图， 通过数字图像处理方法， 消除物体表面非均匀 反射影响，获取干涉条纹的相位信息，时域移相法是一种在时间轴上的逐点运 算。由于 采用多 帧图 像，且只需计算强度值和反正 切函数，因 此移相法的计算 量少，可以 用较粗的 光栅达到较高的灵敏度和 精度。此外， 这种方法具有一定 的抗静态噪声能 力。 缺点是需要专门的移相机构、图像采集时间 较长且不能消 除条纹图中高频噪声引起的误差。 第z 章 三维面形 测量方法概述 2 . 3其它非接触式测量方法 光学测量技术虽然应用很广，但存在无法测量物体内部轮廓的致命缺陷。 对于一些复 杂零件，不仅需要其外部轮廓数据， 还需要内部 轮廓数据， 尤其是 在快速原型 技术中的应用范围受到较大限制。因 此其它的非 接触式 测量方法也 迅速发展起来。 1 )工业 c t 层析法测量技术 计算机断层扫描( c t ) 法 ( 7 1 测量技术是利用不同物体对 x射线吸收系数不同 的特点， 采用数学 方法经过计 算机处理重建物体断层图像。 该方法最早应用于 医学领域。目前工业领域己对工件内部形状、结构、壁厚等进行测量，形成了 工业 c t ( i c t ) 。 世界上 第 1 台c t层析成 像扫描器是由 英国 人h o u n s f i e l d 研 制成功， 并应用于医学临 床诊断3 2 1 随后，美国 军方首 先提出 研究计划，开发 检测大型火箭发动机或小型 精密铸造的 c t设备，经过 2 0年的 发展， 工业 c t 已成为专门的研究分支。2 0世纪 8 0年代初，我国的清华大学、重庆大学、中 科院高能所等单位也陆续开展了 c t技术的研究，开发出了基于射线源的工业 c t装置，并进行了一些实际应用。工业 c t层析法，是目 前极具发展前途的一 种非接触式断层测量方法， 它可 用于工业产品的无损检测和探伤，能对物体内 部结构进行测量。 但特别针对中空物体的 三维无 损测量， 存在空间分辨率较低， 获得数据需要较长的积分时间，重建图像计算量大、造价高，只能获得一定厚 度截面的平均 轮廓等 缺点， 因此用它实现 被测 物体 c a d模型的 精确重构还存在 着很大的距离。 2 )核磁共振图 像法测量 技术 核磁共振断 层成 像法( m r i ) ( 是2 0 世纪7 0 年代末发 展起来的一种新式医疗 诊断影像技术，其理论基础是核物理学的核磁共振理论:用特定频率的射频脉 冲进行激发， 作为小 磁体的 原子核吸收一定的能量而共 振，即 发生了 共振现象。 停止发射射频脉冲，则被激发的原子核就把所吸收的能量逐步释放出来，其相 位和能级都恢复到激发前的 状态， 这一恢复过程称为 弛豫过程， 而恢复到原来 平衡态所需要的时间被称为 弛豫时间。 对于不同的物体， 它的 弛豫时间是有差 别的，这种差别便是 m r i的成像基础。这种技术具有深入物体内部而不破坏被 测物体的优点， 对生物体也 无损害，在医学领域具有广泛的 应用前景。这种方 法的不足之处是只 停留在 对生 物组织的断层测量上，目 前非生物材料的工 业产 品不适 应，空间分 辨率 不及c t层析法，且 测量时间长， 设备昂 贵。 第2 章 三维面形测量方 法概述 3 )超声波断层法 34 测量技术 对超声波 而言，不同 的介质有它特定的声阻抗和衰减特性，当超声波脉冲 到达被测物体时，其在两种介质边界表面会发生回波反射， 通过测量回波与零 点脉冲的时间间隔，即可计算出各面到零点回波的距离，利用这些特征便可对 物体 进行断层数字化测量。 然而该方法测量速度慢， 且由 于各 种回 波比 较杂乱， 必须精确地测量出超声波在被测材料中的传播声速，利用数学模型的计算来定 出每一层边缘的位置，特别是若物体中有缺陷，将受物体材料及表面特性的影 响，致使测量出的数据可靠性较低测量精度不稳定。目前该方法主要应用于医 学领域， 对人体器官进行断层扫描检 测。 相对于i c t 或m r i 而言， 其设备简单、 成本较低，同 时超声 波在高 频下具有很好的方向 性， 它在三维扫描测量中的应 用前景正在 日 益受到重视。 2 . 4光学三维曲 面测量的发展趋势 根据实际应用领域的不 断扩展，高速、高精度、 大尺度测量范围、复杂面 形的测量仍 旧是目前光学三维测量领域的研究重点，而这些特点正突出了光学 测量技术的优势，也使光学三维测量技术面临许多挑战性的课题. 1 )大型物面及整体三维测量 大多数情况下，一台 光学三维传感器，在一次测量中， 仅能获得单一 视角 ( o n e v i e w ) 的 物面深 度分布图。 大型物面及 3 6 0 0 三维测量或整 体( ( f u l l - b o d y ) 三维 测量的任务，是利用上述传感器获得能覆盖整个物面的多个单视角测量结果， 并将其通过坐 标变换组合拼接得到最终的三维测量结果。大型物面的检测往往 以 降低测量精 度为代价， 而在工业生产中又需要实现大型面或整体的高 精度三 维测量，尽管己有一些研究成果和商品 化测量系统问世，但在该领域还存在一 系列问 题急待解决，同一个零件的所有测量数据必须统一到一个坐标系下， 而 其内容主要涉及传感器标定与布局优化等问题，如多感知器信息融合、多 视角 测量获得的多个曲面片的高 精度拼接算法等。 2 ) 复 杂形 状物体的三维测量 测量复杂面形，己 有多 种技术策略可供选择:1 、多视角 测量并 拼接。 其原 理 、 技 术 同 前 述 ; 2 、 自 适 应 扫 描 (a d a p ti v e s c a n n in g ) .例如d ig ib o tic s 公 司开 发的 d i g i b o t 系统 采用了四 轴自 适应系统，利用该系统控制激光 扫描装置与图 像传感 第 z 章 三维面形测量方法概述 器的 运 动， 以 测 量 复 杂 形体 各 角 落 的 形 状 信 息 ; 3 、 绝 对 相 位 ( a b s o lu te p h a s e ) 计 算。当 采用条纹 投射方法测量复杂面形时， 物面上的台阶、 深槽、突起会 产生 比 较 严 重 的 阴 影 问 题 ， 从 而 给 相 位去 包 裹 ( (p h a s e -u n w r a p p in g ) 过 程 带 来 很 大 困 难 特别是当 物面不连续时， 如含有孔、洞、 及孤 立区 域的 相对位相关系很难确定， 因 而， 绝对位相的 确定对复杂形 状的测量具有 特别的意义， 其中变频条纹 投射 结合时域相位解包裹方法 y r 7 9 ) 将作为一个非常有效的 技术会受到越来越多的重 视， 由于三角测量法本身的属性，阴影和遮挡是避免不了的，部分区域的数据不 容易测到;另 外测量复杂 面形时，由于条纹图像本身的原因， 如局部强反 射、 欠采样等等，部分区域含有无效数据点，即得到的数据是异常的，不可靠的. 对 于这类测得的不可靠的噪声数据需要附加信息剔除，缺损的数据可借助多视角 测量，进行数 据修补， 寻求恢复4 0 3 )测量中的图 像处 理技术 光学测量与数字图像处理是分不开的，要提高测量精度，最直接的就是提 高摄像机分辨率， 但通过 提高 摄像机分辨率来达到提高测量系统精度的目 的 是 不经济和有限的， 而通过图 像处 理算法提高特征提取精度同 样能 提高测量系 统 的精度。另外获取图像的过程中还存在各种图像畸变和噪声，它们也对系统测 量精度产生很大影响，图像处理是减小图像畸变和降低图像噪声的有效途径。 图像噪声一般是高频成分，通过低通滤波可加以消除，如应用小波方法对采集 的条纹图进行滤波川 。 面结构光法中的标定 技术需用摄像机获取标定块的图像， 可应用亚像素级图 像定位技术提取图像控制点 坐标， 提高摄像机的 标定精度4 2 此外，还有诸如镜面反射物体的测量，实时三维测量等等领域，在一定程 度上，对这些 课题的 深入研究代表了光学三维测 量技术的发展方向 4 3 第 3 章 相移轮廓术测量技术 第3章 相移轮廓术测量技术 相移轮 廓术又称投影光栅相移法( p h a s e s h i ft p r o f i l o m e t ry， 简称p s p ) ， 是属 于 位相 测量 轮廓术( p h a s e m e a s u r e m e n t p r o f i l o m e t ry ， 简称p m p ) 中的 一种。 我们 所要获取的信号是调制在物体光强分布图中 ( 即灰度图) ，也就是说它们都是通 过解调相位来实现高 度的测量。相移轮廓术是通过几幅有相移的栅 线图的 运算 来获得包裹相位的。 3 . 1 相移轮廓术的技术原理 3 . 1 . 1相移法原理 该方法基于正弦光栅投影，利用硬件或软件移动光栅的方法获取 n幅 ( 至 少为 3 幅)变形光场图像，再根据离散相移技术，按 n步相移算法计算出相位 分布， 最后利 用几何关系求得物体表面的高 度信息(4 4 1 。相移法的 光路结构 如图 3 . 1 所示。 图3 . 1投影栅相位法光路原理图 弓和凡分 别 是 投 影 系 统的 入瞳 和 出 瞳 ， e , 和e 分 别 是 成 像 系 统 的 入 瞳 和 出 瞳， g 是 周 期 为p a 的 正 弦 光 栅 。d是 摄 像 头 上 成 像 平 面 上 的 一 个 像 素 ， o 点 是 投 影 系 统 和 成 像 系 统 的 交 点。 e到o 点 的 距 离 为l , 凡和e 之间 的 距 离 为d , x o y是参考平面 ( 与成像系统光轴垂直) 第3 章 相移轮 廓术 测量技术 投影系统和成像系统都远离物体，因而物体深度范围内的聚焦偏差可以忽 略。当一个正弦图样投影到三维漫射物体上时，其由 成像探测到的 变形光 场可 以描述为: 1 (x , y ) 一 r (x , y ) (a (x , y ) 十 b (x , y ) c o s ( o (x ,y ) ) ( 3 .1 ) 其中 ， r ( x , y ) 表 示 物 体 表 面 各 点 的 反 射 率 ， a ( x , y ) 代 表 背 景 光 强 ， b (x , y )/ a (x , y ) 代 表 条 纹 对 比 度 ， 相 位 函 数 $ (x , y ) 代 表 了 条 纹 图 样 的 特 征 ， 因 而 包 含 了 物 体 面 形 的 高 度 信 息 。 由 于 物 体 各 点 的 反 射 率r ( x , y ) 变 化 不 大 ， 可以 假 定 为 一 个 常数 ， 因 而( 3 . 1 ) 又常常改写为: 1 (x , y ) 一 i, (x ,y ) ( i + y (x ,y ) c o s