相位测量轮廓术关键技术及应用研究

论文摘要

光学三维传感具有广阔的应用前景，并且逐渐普及。采用结构照明的三维传感方法，包括相位测量轮廓术(Phase Measurement Profilometry，简称PMP)、傅立叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry，简称FTP)、调制度测量轮廓术(Modulation Measurement Profilometry，简称MMP)等，近年来受到了极大的重视。 相位测量轮廓术根据观察物体上条纹的变形情况来测量物体三维形貌。它通过多幅相移条纹图来计算得到截断的相位，再通过相位展开算法将截断相位展开为连续相位，最后根据一定的算法从相位分布中恢复物体的实际三维面形。本论文的工作是在已有的研究工作基础上，重点研究了相位测量轮廓术中的条纹投影及获取，相位展开，相位一高度映射关系，测量系统标定等关键技术，分析了影响相位测量轮廓术测量精度的因素，讨论了双传感器数据融合及三维测量数据计算全息可视化中的隐藏面问题等实际应用问题。主要研究成果如下： 1．通过实验研究数字微镜器件的时空特性对相位测量轮廓术的影响，分析了DLP采用的时分复用脉宽调制技术，投影光场在时间上不恒定，但周期性变化的规律。最后得到，在PMP中摄像机的积分时间应该为投影仪刷新周期的整数倍才能获得高的测量精度。 2．深入研究了可靠度导向的相位展开算法。提出一种采用虚拟队列的新算法设计，使相位展开速度提高了至少20倍，在某些情况下可提高100多倍，而相位展开的可靠度却没有降低，有利于PMP系统在复杂面形测量中的实际应用。 3．深入研究了PMP测量系统的标定原理，提出了一种大视场PMP测量系统的现场标定方法。该方法只采用一块小的平面标定靶在测量体积内比较随意地摆放多次即可实现测量系统参数的标定。研究了双摄像机数据融合方法和黑白摄像机获取彩色纹理的方法。提出以调制度为依据，检测测量数据的有效范围。根据PMP测量仪的特点，提出了数据拼接区的选择原则及采用加权平均进行数据融合的方法。 4．深入研究了PMP测量系统的模型，首次提出了一种新的相位—高度映射关系。该算法采用多项式表示相位、高度关系，实验表明它有较高的精度。提出一种光栅畸

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 光学三维传感概述
• 1.1.1 被动三维传感
• 1.1.2 主动三维传感
• 1.2 相位测量轮廓术概述
• 1.2.1 相位测量轮廓术关键技术
• 1.2.2 相位测量轮廓术的应用
• 1.3 当前相位测量轮廓术存在的主要问题
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 第二章 相位测量轮廓术基本原理
• 2.1 PMP三维面形测量原理
• 2.1.1 远心投影 PMP高度测量原理
• 2.1.2 发散投影 PMP高度测量原理
• 2.1.3 隐式相位-高度映射关系
• 2.1.4 三维形貌获取
• 2.2 物体表面相位分布获取原理
• 2.2.1 相移法原理
• 2.2.2 相位展开
• 2.2.3 极点与截断线
• 2.2.4 调制度
• 2.2.5 简单的相位展开算法
• 2.3 相移面结构光产生
• 2.3.1 激光剪切干涉法
• 2.3.2 光栅加移动装置法
• 2.3.3 数字光栅投影法
• 2.4 小结
• 第三章 采用 DLP投影的PMP测量系统
• 3.1 数字微镜的工作原理
• 3.2 DLP投影仪图像产生原理
• 3.2.1 二进制时分复用脉宽调制技术
• 3.2.2 DLP投影仪色彩产生方式
• 3.2.3 DLP投影仪光强变化规律实验研究
• 3.3 采用 DLP投影的 PMP测量系统
• 3.3.1 投影一拍摄系统的光强传递模型
• 3.3.2 正弦条纹传递模型
• 3.3.3 相位测量实验结果
• 3.4 小结
• 第四章 可靠度导向的相位展开快速算法
• 4.1 可靠度导向相位展开基本原理
• 4.1.1 相位展开错误原因及表征参数
• 4.1.2 可靠度导向相位展开基本思想及算法
• 4.2 可靠度导向相位展开快速算法
• 4.2.1 虚拟有序队列
• 4.2.2 算法描述
• 4.2.2 实验结果
• 4.2.3 结论
• 4.3 小结
• 第五章 相位-高度映射关系研究
• 5.1 理想相位-高度映射关系
• 5.1.1 投影系统数学模型
• 5.1.2 相位-高度映射关系
• 5.2 考虑畸变的相位-高度映射关系
• 5.2.1 摄像机的畸变模型
• 5.2.2 畸变后的相位-高度映射关系
• 5.2.3 计算机仿真
• 5.2.3 实验结果
• 5.2.4 结论
• 5.3 通过光栅校正简化相位-高度映射关系
• 5.3.1 原理
• 5.3.2 实验结果
• 5.3.3 结论
• 5.4 小结
• 第六章 PMP测量系统标定方法研究
• 6.1 摄像机成像过程和参数
• 6.1.1 透视投影和摄像机内参数
• 6.1.2 外参数
• 6.1.3 摄像机后向投影模型
• 6.2 基于3D立体靶标的摄像机标定
• 6.2.1 隐式线性模型摄像机标定
• 6.2.2 内外参数分解
• 6.3 基于 2D平面靶标的标定
• 6.3.1 靶标平面及其图像平面之间的映射关系
• 6.3.2 求解摄像机参数矩阵
• 6.4 大视场 PMP测量系统的标定
• 6.4.1 采用平面靶标的 PMP系统标定
• 6.4.2 大视场测量系统标定
• 6.4.3 实验及结果分析
• 6.4.4 结论
• 6.5 小结
• 第七章 PMP测量系统精度分析
• 7.1 结构参数对测量精度的影响
• 7.2 相位测量误差
• 7.2.1 条纹强度误差的影响
• 7.2.2 量化误差的影响
• 7.2.3 探测器像素尺寸的影响
• 7.2.4 相位测量误差实验
• 7.3 小结
• 第八章 采用双 CCD的 PMP三维面形测量仪研制
• 8.1 测量系统硬件设计
• 8.2 测量系统标定
• 8.2.1 系统坐标系规定
• 8.2.2 标定靶标选择
• 8.2.3 标定过程
• 8.3 彩色纹理的获取
• 8.3.1 彩色纹理获取原理
• 8.3.2 彩色纹理获取实验
• 8.4 测量数据融合
• 8.4.1 点云数据的融合
• 8.4.2 纹理数据的融合
• 8.4.3 数据融合实验
• 8.4.4 结论
• 8.5 测量软件简介
• 8.6 小结
• 第九章 PMP三维面形测量仪应用举例
• 9.1 主要性能参数及测量结果举例
• 9.2 三维测量数据的数字全息可视化
• 9.2.1 数字全息图制作原理
• 9.2.2 隐藏面对再现象质的影响
• 9.2.3 消隐原理
• 9.2.4 计算机模拟
• 9.2.5 消隐快速算法原理及计算量
• 9.2.6 实验结果
• 9.3 小结
• 第十章 总结和展望
• 10.1 总结
• 10.2 展望
• 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科研项目
• 参考文献