基于FTP的动态物体三维面形测量系统的研究

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。在工业生产流水线上产品质量的在线检测、冲压板几何形状检测、智能机器人运动控制、汽车制导中障碍检测、运动力学等方面,都需要对观察对象进行三维面形的测量。因此动态过程的三维面形测量在科学研究和工程应用领域具有重要意义。本论文首先介绍了三维面形测量技术的重要意义和研究现状,并总结前人的研究成果,给出了几种目前应用最为广泛的主动式光学三维传感方法的基本原理,比较了其优缺点。文中重点介绍了傅里叶变换轮廓术的基本原理和方法,在此基础上推导出基于FTP的动态过程三维面形测量技术的基本原理;给出了几种三维相位场的计算方法和三维截断相位场展开方法的详细推导过程,并对其性能进行评价。本文还就光学三维面形测量中的难点问题—相位展开,展开了更深入的调查研究,从其问题的提出、研究现状到算法的具体内容都进行了详细的阐述;针对实测对象,最终形成了一套完整的测量技术方案,选择了恰当的数据处理方法对采集的图像数据进行处理分析,获得了满意的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 物体三维面形测量技术重要意义及现状分析
• 1.1.1 物体三维面形测量技术重要意义
• 1.1.2 物体三维面形测量技术现状分析
• 1.2 光学三维测量常用技术简介
• 1.2.1 飞行时间法（TOF）
• 1.2.2 激光三角测量法（Laser Trianguiation）
• 1.2.3 莫尔轮廓术（Moiré Profilometry）
• 1.2.4 相位测量轮廓术（PMP）
• 1.2.5 傅立叶变换轮廓术（FTP）
• 1.2.6 空间相位检测（SPD）
• 1.2.7 基于调制度的三维轮廓术（MMP）
• 1.3 PMP,FTP,SPD和MMP四种方法的比较分析
• 1.4 光学三维传感的发展方向
• 1.5 动态过程的三维面形测量研究
• 1.6 本论文的主要研究内容
• 第2章 动态过程三维面形测量的基本原理
• 2.1 FTP的基本原理
• 2.2 基于FTP的动态过程三维面形测量技术
• 2.2.1 基于FTP的动态过程三维面形测量技术的理论推导
• 2.2.2 动态过程三维面形测量技术中的三维相位场计算方法
• 2.2.3 动态过程三维面形测量技术中的三维相位场展开
• 2.3 本章小结
• 第3章 三维面形测量的二维截断相位场展开
• 3.1 位相展开问题概述
• 3.2 位相展开问题的研究现状
• 3.3 位相展开算法的具体讨论
• 3.3.1 基于极点的积分路径导向法
• 3.3.2 基于可靠度的积分路径导向法
• 3.3.3 最小二乘法
• 3.3.4 小结
• 第4章 动态过程三维面形测量系统
• 4.1 动态三维面形测量技术方案
• 4.1.1 测量系统的硬件设计
• 4.1.2 系统参数设计
• 4.1.3 测量系统的软件流程设计
• 4.2 系统纵向标定
• 4.2.1 纵向标定基本原理
• 4.2.2 标定数据分析
• 4.3 测量数据结果及分析
• 4.4 测量误差分析
• 4.4.1 光学成像误差
• 4.4.2 计算方法误差
• 4.4.3 标定误差
• 4.4.4 图像噪声误差
• 4.5 本章小结
• 总结和展望
• 总结
• 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的论文