三维形貌相位提取算法研究

来源 :山东大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hutianyi199052
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随着科学技术的发展,物体的三维形貌信息在质量控制、逆向工程、产品检验、数字模型生成等许多领域体现了重要的学术和工程应用价值。三维形貌测量受到各领域关注和研究。其中,投影栅三维形貌测量技术因为具有非接触、分辨率高、效率高、设备简单、可靠性高等优点,成为广泛使用的三维形貌测量技术。但是,随着各行业要求的提高,三维形貌测量技术在测量精度和速度方面还存在许多亟待解决的问题。而影响测量精度的重要因素是投影光栅的相位解调质量,因此准确、高效提取受物体三维形貌调制的相位数据仍然是三维形貌测量研究关注的重要方面。相位解调算法得到的大都是被包裹在(-π,π)内的包裹相位,需要进行相位展开,才能得到连续相位。目前存在的各种相位提取方法大多只适用于特定条件和应用场景。因此,准确、高效的相位提取算法,即:相位解调和相位去包裹仍然是三维形貌测量研究的重点和难点问题。本课题从提高三维形貌相位提取方法的精度和速度入手,针对相位提取问题展开研究。主要工作如下:(1)为了将投影光栅应用于高动态范围物体的三维形貌测量,Jiang采用正反向条纹图相结合,通过互补光栅条纹处理像素饱和问题。针对Jiang方法的不足,引入广义相移法,提出增强的高动态三维形貌测量方法。对于每一个像素点位置,多幅任意相移条纹图对应位置处的所有未饱和条纹信息都被有效利用。理论和实验表明,提出的增强的高动态三维形貌测量方法能明显改善Jiang方法的精度。(2)在分析傅里叶变换法的相位解调算法基础上,针对Yun的双频傅里叶变换轮廓术中,由于低频条纹中正负基频成分靠近,难以设计合适带通滤波器准确分离的问题,将时空条纹法引入,提出了基于时空条纹法的双频相位解调算法,提高了双频傅里叶变换形貌测量精度。(3)分析并研究了时域去包裹算法,针对双频(或双波长)时域去包裹算法噪声大,相移量固定,运算量大等问题,引入广义相移法,消除相移条纹图之间相移量固定的限制,引入复合条纹编码技术,将双频条纹编码在复合条纹中,减少需要投影和采集的正弦条纹数量。通过提高低频条纹频率,降低高低频率比,降低双频相位去包裹时的误差传递,提高最终相位结果精度;在干涉计量法测量时,引入了迭代两步时域去包裹算法,提高中间灵敏度值,进一步提高相位测量精度。(4)针对频域频移减少相位包裹次数时,离散傅里叶变换确定峰值频移量局限于整像素的问题,结合空域减包裹次数算法,提出基于迭代的局部离散傅里叶变换的减包裹次数方法,将定位提高到小数点后两位,减少包裹残余,但运算量却没有明显增加。(5)针对最小二乘法相位去包裹时Perciante方法只适用于待测物表面连续的问题,提出基于加权最小二乘法的空域去包裹算法。设计二值化的反向偏方差相关映射作为加权系数。理论分析和实验结果表明,提出的新方法能有效检测和处理断点、奇点等奇异相位数据,提高相位去包裹精度。(6)在MATLABR2014a环境下,实现了以上各种算法,并对其进行了大量的实验分析验证。实验结果证明了本课题提出的各种相位提取算法的有效性和可靠性。
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