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《山东师范大学》 2017年
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基于条纹频率的无包络三维变形测量技术研究

赵冉  
【摘要】:光学干涉计量技术在我国的许多领域都有着十分重要的应用。随着近年来科技的发展,各个行业的研究人员对测量方面的需求也在不断提高。因此,寻找一种实用性强、操作简单、精度较高的测量方法对于各个领域的科学研究工作来说意义重大。本文介绍了一种新型的三维变形测量技术,可以由两幅光干涉条纹图实现全场的三维位移测量。该方法是基于图像一致性假设与光流基本方程而提出的,首先由窗口傅里叶脊法提取了初始图像的条纹频率,由光流法获得了变形前后图像的面内位移场,然后根据光流基本方程将条纹频率、面内位移场与离面变形相位三者建立了数学关系,实现了由面内位移来得到离面变形相位的计算过程。然而由于光流算法本身的限制,该方法在图像边缘处与中心处所获得的数据误差较大。为了解决这一问题,我们运用数字图像相关法替代光流法完成了面内位移的测量工作,以实现更精确的三维位移测量。文章介绍了电子散斑干涉术、窗口傅里叶脊法、光流法及数字图像相关法的原理,对平面加载的圆盘与周边固定、中心加载的圆盘分别进行了计算机模拟与典型实验。模拟结果与实验结果均表明,该方法能够根据直观的面内位移场解调出物体全场离面位移信息。该方法优点与创新之处在于操作过程简单方便,能同时提取变形物体的三维位移场,既不需要将条纹图像转换到频域,也不需要相位解包络运算,且在条纹越密集处提取的离面变形相位信息更准确。由于该方法仅需要两幅图像便可完成物体三维形变的测量工作,所以该算法为全场三维动态测量提供了新的思路。除此之外,文章在最后介绍了两种最近刚被提出的变形测量技术:载频交叠重构干涉术与基于二维连续小波变换的散斑相位奇异法。这两种方法均具能有效地抑制环境噪声,获得更精确的测量结果。本文将这两种方法分别应用于电子散斑干涉术与光干涉图像当中,对这两种方法在三维形变测量方面的应用前景做了研究与预测。本文的主要章节研究内容如下:第一章主要对物体三维面形与变形测量的研究现状进行了综合性的论述,介绍了包裹相位与相位解包络操作的概念与无包络三维测量的研究意义。第二章首先介绍了电子散斑干涉术术(ESPI)的基本原理。由于在运用ESPI计算离面位移时需要先提取离面变形相位的信息,所以又介绍了两种相位提取方法:相移法与傅里叶变换法。其中,相移法的测量精度较高,但是其需要的图像也比较多,不适合于动态测量;傅里叶变换法只需要一幅图像便可完成相位的提取,但是与相移法相比测量精度较低且不适用于闭合条纹图的测量工作。除此之外,这两种方法都需要用到相位解包络操作,这无疑增加了位移计算的误差。在后文中提到的基于光流法的三维位移测量技术、基于图像相关的三维位移测量技术、载频交叠重构散斑干涉测量技术与基于小波变换的相位奇异网格法的思路都是在ESPI原理的启发下获得的。第三章主要介绍了运用窗口傅里叶脊提取图像条纹频率的基本原理。这一章首先定义了条纹频率与窗口傅里叶变换的概念,然后针对现有的窗口傅里叶脊算法的不足对其进行了改进。模拟实验结果表明改进后的窗口傅里叶脊算法提取的条纹频率的精度更高,适用性更加广泛。本章中提取的图像条纹频率在后文当中有重要应用。第四章从光流场的概念与光流算法的研究现状入手,对光流法测量物体三维形变的基本原理展开了论述。该算法将初始图像的条纹频率、变形前后图像的面内位移场与离面变形相位三者建立了直接的联系,实现了由直观的面内位移场测量离面位移的运算过程。模拟结果与实验均表明该算法可以实现三维位移的测量。针对光流法具有边缘效应这一缺陷,第五章提出用数字图像相关法来替代光流法以改进第四章中提出的三维位移测量方法。这一章首先论述了基于梯度法的数字图像相关亚像素算法的基本原理与研究现状,然后将该方法与光流法结合后测量了周边固定、中心加载圆盘的三维形变量。模拟结果与实验结果均表明该方法的测量精度比改进前的光流法的精度更高,测量范围更广。第六章主要探讨了载频交叠重构干涉术(CSI)与基于二维连续小波变换(CWT)的散斑相位奇异法在散斑干涉计量与光干涉计量当中应用。CSI算法是一种可以将环境噪声与图像中有用的信息直接分离的测量技术。经实验验证,该方法可以将散斑干涉条纹图像的有效频谱与噪声频谱分离,可应用于散斑干涉计量当中。基于二维CWT的相位奇异网格法是一种测量面内位移的方法。本文将此方法与光流法相结合,先测量了平动图像之间的面内位移,证明了该方法对面内位移测量的有效性与鲁棒性,然后对结合后的算法在离面微位移测量方面的前景进行了探讨。第七章总结了文章的主要成果与创新点,并简单论述了下一步的研究工作。
【学位授予单位】:山东师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O436.1

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