数字激光散斑图像的仿真建模和位移测量算法研究

论文摘要

数字激光散斑测量法是一种对光学粗糙表面进行无损全场计量的技术，具有实时性好、结构简单、不需光学平滑表面、全场非接触测量等优点。随着数字图像技术、激光技术和集成电路技术的迅速发展，激光散斑图像测量技术也向着速度更快、设备更小、方法更新的方向发展，并逐渐地被应用于振动、位移、应变和医学诊断等各方面的测量之中。 本文对动态激光散斑进行了建模仿真研究，建立了有效实用的模型；提出了应用激光散斑图像进行位移测量的几种新方法，给出了原理、实验步骤和实验结果，并分析了各算法的特点。本文的主要特色和创新如下： 1．由于目前在动态激光散斑测量的研究中缺少动态激光散斑模型，我们提出了一种基于高斯相关表面的动态激光散斑模型。该模型以高斯相关随机表面作为反射面，得到夫琅和费面上的散斑场，生成具有不同散斑规格(尺寸、亮度、噪声水平和位移量不同)的动态散斑图库，在散斑特性研究和位移测量中起到了较好的作用； 2．针对散斑图像位移测量计算量大、测量时间较长的不足，提出了一种基于傅里叶分析的数字散斑图像位移测量新方法(同频率相位比较法)。该方法可以直接求解亚像素级位移，减少了位移测量的时间。与常规的数字散斑相关测量法(DSCM法)相比，尽管使用的散斑图像面积是DSCM方法的4倍，但测量时间仅为十倍插值DSCM方法的1／80。该方法比较适合在FFT处理芯片或DSP芯片上实现； 3．为了继续提高测量速度、减少图像的采样面积，提出了边缘相关位移

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 数字激光散斑测量技术简介
• 1.2 激光散斑测量技术的发展历史和研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容和研究成果
• 1.3.1 研究内容和研究范围
• 1.3.2 研究成果
• 1.4 论文的结构安排
• 1.5 本章小结
• 第2章 激光散斑原理及数字激光散斑图像的特性分析
• 2.1 本章引言
• 2.2 激光及激光器简介
• 2.2.1 激光的特点
• 2.2.2 激光器的发展
• 2.3 散斑场的成像机理及分类
• 2.4 散斑场的理论模型
• 2.4.1 散斑场的数学描述
• 2.4.2 正态散斑光强与位相的概率密度函数
• 2.4.3 部分偏振散斑光强的统计性质
• 2.5 数字激光散斑图像的获取方法
• 2.6 数字激光散斑图像处理及图像特点
• 2.6.1 散斑图像的统计特性分析
• 2.6.2 散斑图像中散斑的平均尺寸分析
• 2.6.3 激光散斑的频域分析
• 2.6.4 散斑图像的直线特征分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 动态激光散斑图像的仿真建模研究
• 3.1 本章引言
• 3.2 自由几何空间中激光散斑的产生模型
• 3.3 高斯相关随机表面的产生
• 3.3.1 高斯相关表面的产生简述
• 3.3.2 随机向量抽样法产生高斯相关表面
• 3.3.3 产生相关高斯表面的实验结果
• 3.4 静态散斑场的模拟产生及实验结果
• 3.5 超像素分析及其等价效果
• 3.6 动态散斑场的模拟产生
• 3.7 本章小结
• 第4章 基于同频率相位比较的散斑位移测量算法
• 4.1 本章引言
• 4.2 激光干涉条纹位测量法的启示
• 4.3 基于同频率相位比较的散斑位移测量算法思路
• 4.4 数字散斑边缘求和的特性研究
• 4.4.1 数字激光散斑图像的特点
• 4.4.2 散斑图像行或列求和效果的研究
• 4.5 算法原理分析
• 4.6 算法的具体实现步骤
• 4.7 实验结果
• 4.8 本章小结
• 第5章 激光散斑位移测量的边缘相关法
• 5.1 本章引言
• 5.2 基于相关法的数字散斑场变形分析
• 5.3 数字散斑相关测量（DSCM）的基本原理
• 5.4 常用的相关函数
• 5.5 数字散斑边缘相关测量方法
• 5.5.1 数字散斑边缘相关测量算法的实现步骤
• 5.5.2 数字散斑边缘相关测量算法的运算量估计
• 5.5.3 实验结果
• 5.6 本章小结
• 第6章 基于特征点分析的激光散斑位移测量方法
• 6.1 本章引言
• 6.2 数字激光散斑图像的极值位移测量法
• 6.2.1 数字散斑图像极值的分布特点
• 6.2.2 基于数字激光散斑图像的极值测量方法及原理
• 6.2.3 极值测量法的实验步骤及实验结果
• 6.3 数字激光散斑图像位移测量的多层平截算法
• 6.3.1 平截法简介
• 6.3.2 数字激光散斑图像多层平截法的测量原理
• 6.3.3 实验结果及比较
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 未来的研究方向
• 参考文献
• 致谢