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三维轮廓测量中傅里叶变换法的改进研究

作　者: 王亚军
导　师: 杨圣
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 光学三维测量傅里叶变换轮廓术相位展开相位高度模型系统标定
分类号: TP391.72
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 199次
引　用: 3次
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内容摘要

随着科学技术与工业生产的发展,在计算机辅助设计制造CAD/CAM、工业检测与质量控制、逆向工程、机器视觉以及生物医学工程等领域,人们对物体三维测量的需求越来越多。当前,由于非接触性、数据获取速度快以及测量精度较高等优点,主动式光学三维测量成为科技领域的一个研究热点。傅里叶变换轮廓术是属于主动式光学三维测量方法中的一种。其测量精度较高,且数据采集速度快。在拍摄过程中,采集完参考平面的光场分布后,只需要再采集一帧变形条纹图形,通过傅里叶变换、频谱滤波、逆傅里叶变换、相位展开等处理后就能得到物体的三维数据。本文的主要工作是对传统傅里叶变换轮廓术的改进研究。改进工作主要体现在如下几个方面:(1)在提取变形光栅图案的基频分量时,传统滤波方法存在如何选择滤波窗的问题。为此,我们提出了基于平滑的时频分析方法,并将其成功地用于基频分量的提取中,达到了很好的效果;(2)经过传统傅里叶变换法提取出来的相位是实际相位的包裹值。要得到实际相位,往往需要复杂而且耗时的相位展开运算过程。为了解决这个问题,我们提出了颜色标记傅里叶变换法。通过引入颜色信息,可以直接得到实际相位值。从而避免了相位展开的过程,很大程度地提高了系统测量速度;(3)传统相位高度模型对系统约束较多,不利于普通情况下测量工作的开展。为此,我们提出了新的系统模型并经过标定实验验证了其正确性。在这个模型下,投影仪与相机的摆放约束很少。因此,可以应用在一般较难满足精确放置的场合,能很好地扩展光栅投影三维测量系统的应用范围。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第1章绪论  9-17
  1.1 被动三维传感技术  9-10
  1.2 主动三维传感技术  10-14
    1.2.1 飞行时间法  12
    1.2.2 激光三角测量法  12-13
    1.2.3 莫尔轮廓术  13
    1.2.4 相位测量轮廓术  13-14
    1.2.5 傅里叶变换轮廓术  14
  1.3 光学三维传感的发展方向  14-15
  1.4 本文的主要研究内容  15-17
第2章光栅投影三维测量系统  17-31
  2.1 光栅投影系统测量原理概述  17-18
  2.2 光栅条纹分析与相位提取  18-23
    2.2.1 相移法  19-21
    2.2.2 傅里叶变换轮廓法  21-23
  2.3 相位展开技术  23-31
    2.3.1 相位展开的基本假设  24-27
    2.3.2 枝切法  27-29
    2.3.3 质量图导引法  29
    2.3.4 最小费用流法  29
    2.3.5 最小二乘法  29-30
    2.3.6 正则化方法  30
    2.3.7 基于贝叶斯推断的 ZπM 算法  30-31
第3章傅里叶变换轮廓法的改进研究  31-51
  3.1 投影仪 Gamma 校正  31-34
  3.2 傅里叶变换轮廓法(FTP)原理  34-36
    3.2.1 FTP 提取相位主值  34-36
    3.2.2 FTP 测量范围的限制  36
  3.3 FTP 中滤波器设计  36-44
    3.3.1 平滑定义  37-38
    3.3.2 平滑的频域特性  38
    3.3.3 基于平滑的时频分析  38-40
    3.3.4 用时频分析方法提取基频  40-44
  3.4 颜色标记傅里叶变换轮廓法  44-51
    3.4.1 相位包裹的原因  44-46
    3.4.2 颜色标记研究  46-51
第4章测量系统的三维坐标标定  51-68
  4.1 XY 坐标标定  51-55
    4.1.1 四个坐标系  51-52
    4.1.2 摄像机针孔模型  52-54
    4.1.3 摄像机标定  54-55
  4.2 Z 方向标定  55-68
    4.2.1 基于模型的系统标定  55-62
    4.2.2 基于拟合的系统标定  62-65
    4.2.3 实验开展  65-68
第5章总结与展望  68-70
参考文献  70-76
致谢  76-77
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  77

三维轮廓测量中傅里叶变换法的改进研究

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