动态过程三维面形测量技术研究

论文题目: 动态过程三维面形测量技术研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学工程

作者: 张启灿

导师: 苏显渝

关键词: 动态过程测量,三维面形测量,傅立叶变换轮廓术,三维相位展开,时间傅里叶变换轮廓术,频闪光源,结构照明,运动物体,旋转叶片

文献来源: 四川大学

发表年度: 2005

论文摘要: 光学三维面形测量方法,具有非接触、测量速度快、精度高、易于在计算机控制下实行自动化测量等优点,已得到大量深入研究并且被广泛应用。在几种主动三维传感技术中,傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry,简称FTP)是一种具有广泛应用前景的方法。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。它使用了傅里叶变换和频域滤波运算,从携带面形信息的基频分量中出恢复物体的表面形状。和相位测量轮廓术等其它三维传感技术相比,FTP具有只需要一帧变形条纹图就能恢复出物体的三维形貌的优点,使得物体动态过程的三维面形测量变得可能。 动态过程三维面形测量技术能满足从高技术和军事领域(如冲击、爆轰、弹道飞行等)到一般技术领域(如实验力学、材料力学、生物医学、高速旋转过程、瞬态过程等)的动态过程分析需要,具有重要科学意义和广阔的应用前景。因此对动态过程三维面形测量进行研究具有十分重要的意义。 本论文从基本理论、频谱滤波、相位计算、相位展开和系统标定等方面,系统、全面地分析和讨论了基于FTP的动态过程三维面形测量技术的基本原理和方法,提出了用于三维相位展开的几种基本方法,完成了动态过程三维面形测量系统数据获取和处理的软硬件设计。最终形成了完整、系统的动态过程三维面形测量理论体系和实用系统。 按照动态过程运动变化速度的快慢和对动态过程三维面形测量时间分辨率的精度要求,本论文将作为研究对象的动态过程分为三类:慢变化过程、快变化过程和高速旋转与瞬态过程,进而分别针对性地设计和提出了三套三维面形测量技术方案和测量系统。 用视频采集系统记录动态过程中变形结构光场的方法来完成对慢变化过程的三维面形测量;并将该技术方案和测量系统应用到生物医学领域,对处于咀嚼过程中的人脸颊部三维面形作了实物测量,再现了咀嚼中人脸颊部外形的动态变化过程,为医学面颊创伤修复和面部美容整形等研究提供了一种新的动态设计和检查方法,也为人脸识别技术提供了一条新的思路。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 光学三维传感的基本概念和基本技术

1.1.1 被动三维传感

1.1.2 主动三维传感

1.2 光学三维测量常用技术的简单介绍

1.2.1 飞行时间法(TOF)

1.2.2 激光三角测量法(Laser Triangulation)

1.2.3 莫尔轮廓术(Moiré Profilometry)

1.2.4 相位测量轮廓术(PMP)

1.2.5 傅里叶变换轮廓术(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)

1.2.8 PMP，FTP，SPD和MMP四种方法的比较分析

1.3 光学三维传感的发展方向

1.4 动态过程的研究

1.5 本论文的主要研究内容

第二章 动态过程三维面形测量技术的基本原理

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基本原理

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

2.3 相位展开

2.3.1 三维面形测量技术中的二维相位场展开

2.3.2 动态过程三维面形测量技术中的三维相位场展开

2.4 依据运动变化速度和测量要求对动态过程的分类

2.5 本章小结

第三章 慢变化动态过程三维面形测量技术

3.1 慢变化动态过程三维面形测量技术方案

3.2 该技术方案在生物医学领域中的应用研究

3.2.1 背景知识

3.2.2 实验设计

3.2.3 数据处理和分析

3.3 本章小结

第四章 快变化动态过程三维面形测量技术

4.1 快变化动态过程三维面形测量技术方案

4.2 该技术方案在气球快速泄气现象中的应用研究

4.2.1 实验设计

4.2.2 数据处理和分析

4.3 该技术方案在鼓膜振动现象中的应用研究

4.3.1 实验设计

4.3.2 数据处理和分析

4.4 本章小结

第五章 高速旋转与瞬态过程三维面形测量原理和关键技术

5.1 频闪效应的基本概念和频闪技术的应用现状

5.1.1 视觉暂留特性和频闪效应

5.1.2 频闪技术

5.2 频闪技术和三维面形测量的结合——频闪结构照明系统

5.2.1 系统硬件的设计

5.2.2 系统软件的设计

5.3 高速旋转与瞬态过程三维面形测量技术方案

5.4 技术方案中各子系统的同步工作

5.5 本章小结

第六章 高速旋转与瞬态过程三维面形测量技术的应用研究

6.1 背景知识

6.2 实验设计

6.2.1 实验装置

6.2.2 系统参数的设定

6.2.3 触发信号的提取

6.2.4 实验数据的获取

6.3 数据处理和分析

6.4 本章小结

第七章 测量系统的标定和误差分析

7.1 测量系统的结构分析

7.2 测量系统的标定

7.2.1 相位-高度(h)的映射(标定)

7.2.2 XY坐标的标定

7.3 标定参照物的选择

7.4 XYZ三维标定数据的同时获取

7.5 测量系统标定过程

7.6 系统标定结果和灵敏度测试

7.6.1 系统X_g，Y_g坐标标定结果和误差分析

7.6.2 系统Z_g坐标标定结果和误差分析

7.6.3 系统Z_g坐标灵敏度测试

7.7 本章小结

第八章 时间傅里叶变换轮廓术

8.1 技术背景

8.2 时间傅里叶变换轮廓术(TFTP)

8.2.1 TFTP的基本原理

8.2.2 参数选择和测量系统的实现

8.3 计算机模拟实验

8.4 静态物体实验

8.5 动态物体实验

8.6 本章小结

第九章 总结和展望

9.1 总结

9.2 展望

声明

致谢

攻读博士学位期间发表的文章

攻读博士学位期间参与的专利申请

攻读博士学位期间获得的奖项

攻读博士学位期间参与的科研项目

参考文献

附录A：本论文中用到的主要术语

附录B：本论文中用到的主要符号

发布时间: 2005-10-08

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