基于光纤干涉投射的物体表面三维形貌测量关键技术研究

论文摘要

三维曲面或三维形貌测量技术在自动检测和质量控制、反求工程、机器视觉、医学诊断、文物鉴定以及自动导航等领域中占有重要的地位,是科学分析、工业控制、生物医学以及材料科学等方面进行科学研究的重要手段,特别是汽车车身、飞机机身、轮船船体、汽轮机叶片等加工制造中的在线曲面检测,对三维形貌测量技术提出了更高的要求,并促进其向高精度、智能化的动态测量方向发展。本课题受国家重点实验室探索课题支持,旨在实现小尺度、高精度的物体表面形貌动态测量。本文采用光纤干涉投射技术投射干涉条纹,对传统傅立叶变换轮廓术进行了改进并重新建立了系统坐标系,利用傅立叶变换与频域滤波相结合的方法对变形条纹图进行处理,并在相位去包裹后进行了初步三维形貌重构,得到了高度信息,为发展一种新的物体表面三维信息动态检测技术做了基础性研究。论文的主要工作包括以下几个方面:1.提出了系统的测量方案,并建立测量坐标系,推导出了物点三维坐标与干涉条纹相位的关系。2.利用光纤干涉实现干涉条纹投射,条纹清晰明亮,密度较高。针对干涉条纹所在光面进行了数学建模,得出了干涉条纹的应用条件并论证了投射方案的可行性。3.研究了几个系统参数的确定方法并逐一进行实验,通过对实验数据的计算和分析最终完成了系统参数的确定。4.应用傅立叶变换与频域滤波相结合的方法对变形条纹图像进行处理,得到了相位包裹图。进一步应用简单去包裹算法对包裹图像进行去包裹,并初步重构物体三维形貌,证明了系统方法的可行性,指出了系统所需改进之处。5.利用CMOS相机的SDK开发包对相机操作应用程序进行了开发,并应用内存映射文件技术实现了图像的序列采集,为系统应用于动态形貌测量提供了技术基础。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 非接触式光学三维形貌测量技术
• 1.2.1 被动式光学三维形貌测量
• 1.2.2 主动式光学三维形貌测量
• 1.2.3 傅立叶变换轮廓术的优缺点及研究现状
• 1.3 课题研究目的及研究内容
• 第二章 系统测量原理
• 2.1 傅立叶变换轮廓术一般原理及应用条件
• 2.1.1 傅立叶变换轮廓术测量原理
• 2.1.2 傅立叶变换轮廓术的应用条件
• 2.2 本系统测量原理
• 2.3 本章小结
• 第三章 光纤干涉投射装置
• 3.1 光纤干涉条纹投射装置投射原理及系统搭建
• 3.2 杨氏双孔干涉光面建模
• 3.3 本章小结
• 第四章 系统结构参数测定
• 4.1 投射端光纤纤心距a 的计算
• 4.2 像面位置d 的计算
• 4.2.1 像面位置测量原理
• 4.2.2 实际测量与相关图像处理
• 0 与基线长度L 的确定'>4.3 零级条纹投射角度β₀ 与基线长度L 的确定
• 0 与L 的原理'>4.3.1 消影点法测量β₀ 与L 的原理
• 4.3.2 量块边界信息的提取
• 0 与L 的求取'>4.3.3 零级条纹的确定及β₀ 与L 的求取
• 4.4 本章小结
• 第五章 干涉条纹图的处理及初步形貌重构
• 5.1 干涉条纹图的预处理
• 5.1.1 干涉条纹图像的特性
• 5.1.2 干涉条纹图像的噪声来源
• 5.1.3 条纹图像的旋滤波去噪
• 5.2 利用傅立叶变换法解调条纹相位
• 5.3 相位去包裹及初步形貌重构
• 5.4 本章小结
• 第六章 系统软件平台开发
• 6.1 相机操作应用程序的开发
• 6.2 自定义DIB 类的建立
• 6.3 图像序列采集的实现
• 6.3.1 序列文件格式的建立
• 6.3.2 内存映射文件技术实现图像序列采集
• 6.4 本章小结
• 全文总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢