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基于激光三角法的物体三维轮廓测量系统

章金敏  
【摘要】:近年来,随着图像处理技术和计算机技术的发展,物体三维轮廓测量技术得到了非常大的发展,被广泛地应用在产品设计、质量控制、体积测量、机器视觉、逆向工程等领域。通常情况下,只有产品样件或实物模型,而没有产品的定义和文档。为了更好地满足先进制造技术发展的需求,需要对这些产品样件和实物模型进行三维轮廓测量,获取其表面的“点云”数据,构建数字化的三维模型。目前国内外已经研究出了多种三维轮廓测量技术,其中激光三角法测量是目前非接触测量技术中应用最广泛的一种测量手段。本文对当前的三维轮廓测量技术做了调研和分析后,设计了一种基于激光三角法的三维轮廓测量系统。主要工作如下:(1)对激光三角法的基本原理进行分析,系统对比选取直射式激光三角法作为测量方法。系统采用半导体激光器作为照射光源,采用高精度的线阵CCD作为光电探测器,对激光三角法测量的光学系统进行设计,搭建了激光三角测量系统,并固定在三维位移平台上。(2)完成了基于FPGA的线阵CCD采集系统的硬件设计,在Altium平台下,采用CCD模拟信号专用处理芯片AD9826设计了CCD输出信号的处理模块,采用USB2.0芯片CY7C68013设计了FPGA与计算机数据传输模块,降低了系统硬件设计的复杂性。(3)完成了基于FPGA的线阵CCD采集系统的软件设计,在Quartus II平台下对FPGA逻辑编程,完成了各模块的驱动控制程序的设计,并对设计的程序通过功能仿真来验证;在VS2008平台下设计了上位机采集软件,实现了与USB芯片的通信,能连续采集或单帧采集CCD输出的图像信号。各模块协调合作,最终实现了对CCD输出信号的高速采集、传输、显示和存储。(4)根据线阵CCD采集到的光斑图像的噪声特性,对其采用先低通滤波再均值滤波的滤波方法,从而得到平滑稳定的光斑图像。对多种光斑定位算法进行了比较分析,并在平方加权质心法的基础上改进了光斑定位算法,实验验证采用改进的平方加权灰度质心法的效果比其他几种方法都要好。通过测量被测物体表面位移变化和线阵CCD上像点位置变化之间的非线性关系,对测量系统进行标定,并对结果进行分析。


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