傅立叶变换轮廓术纵向标定的研究

论文摘要

光学三维面形测量方法,以其非接触、测量速度快、精度高、易于在计算机控制下进行自动化测量等优势而得到深入研究和广泛应用。在众多的主动三维传感技术中,傅立叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry,简称FTP)使得物体动态过程的测量变得可能,因为它只需要一帧参考条纹图和一帧变形条纹图就能将物体的三维形貌恢复出来。它的基本思想是利用信号的频谱特性来恢复被测物体的面形。本论文主要研究成果和结论包括以下几个方面:1.分析了三维数字成像过程中的各种相位解调方法,通过理论分析和公式推导,将投影光场的高次谐波误差和探测器的非线性响应误差统一合并为高次谐波误差。通过高次谐波对标准N帧相移算法位相计算影响的数值模拟证明了5帧以上相移算法对3次谐波以下误差具有极好的抑制能力。2.从相位展开过程入手,对线性序列、正指数序列、负指数序列和广义序列四种时间相位展开算法进行了误差分析。3.设计了一种新的三维数字成像系统标定装置,利用基于相移条纹投影轮廓术的标定方法对系统做了标定。标定结果表明,经过标定的三维数字成像系统,对于200×150×70mm~3的标定空间,可以获得Z方向的标准差为0.0255mm的测量精度。并实物验证。4.对标定后的系统误差作了分析,得出标定装置的系统误差是该标定方法的主要误差源,通过三坐标测量机等精密测量工具对标定装置进行矫正,可以进一步提高三维成像系统的标定精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 3DIM技术的需求及应用
• 1.2 三维数字传感技术的现状
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第2章 三维数字成像技术中的相位解调算法
• 2.1 相位解调算法
• 2.1.1 傅立叶变换算法
• 2.1.2 空间相位探测算法
• 2.1.3 相移算法
• 2.2 常见相移算法及其特性
• 2.2.1 常见3、4、5帧相移算法
• 2.2.2 N帧相移及其衍生算法
• 2.2.3 任意等步长相移算法
• 2.2.4 2j+3次采样算法
• 2.3 相移算法的误差抑制能力
• 2.3.1 相移算法的误差源
• 2.3.2 数值模拟和实验验证
• 2.4 本章小结
• 第3章 相位展开的实现和误差分析
• 3.1 空间相位展开算法
• 3.1.1 单幅相位图相位重建算法
• 3.1.2 多幅相位图相位重建算法
• 3.2 时间相位展开算法
• 3.2.1 Huntley时间相位展开算法
• 3.2.2 改进时间相位展开算法
• 3.3 时间相位展开算法误差分析
• 3.3.1 线性序列
• 3.3.2 正指数序列
• 3.3.3 负指数序列
• 3.3.4 广义序列
• 3.4 仿真分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 三维数字成像系统的标定与误差分析
• 4.1 三维成像系统标定技术的研究现状
• 4.1.1 基于激光三角的方法
• 4.1.2 基于光栅的方法
• 4.2 Z 方向标定模型的建立
• 4.3 标定实验及结果
• 4.3.1 标定实验准备
• 4.3.4 标定结果
• 4.4 标定精度评定和误差分析
• 4.4.1 精度评定
• 4.4.2 误差分析
• 4.5 实物检测
• 4.6 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文