动态过程三维面形测量技术研究

【摘要】：光学三维面形测量方法,具有非接触、测量速度快、精度高、易于在计算机控制下实行自动化测量等优点,已得到大量深入研究并且被广泛应用。在几种主动三维传感技术中,傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry,简称FTP)是一种具有广泛应用前景的方法。它的基本思想是利用信号的频谱特性来恢复被测物体的面形。它使用了傅里叶变换和频域滤波运算,从携带面形信息的基频分量中出恢复物体的表面形状。和相位测量轮廓术等其它三维传感技术相比,FTP具有只需要一帧变形条纹图就能恢复出物体的三维形貌的优点,使得物体动态过程的三维面形测量变得可能。 动态过程三维面形测量技术能满足从高技术和军事领域(如冲击、爆轰、弹道飞行等)到一般技术领域(如实验力学、材料力学、生物医学、高速旋转过程、瞬态过程等)的动态过程分析需要,具有重要科学意义和广阔的应用前景。因此对动态过程三维面形测量进行研究具有十分重要的意义。 本论文从基本理论、频谱滤波、相位计算、相位展开和系统标定等方面,系统、全面地分析和讨论了基于FTP的动态过程三维面形测量技术的基本原理和方法,提出了用于三维相位展开的几种基本方法,完成了动态过程三维面形测量系统数据获取和处理的软硬件设计。最终形成了完整、系统的动态过程三维面形测量理论体系和实用系统。 按照动态过程运动变化速度的快慢和对动态过程三维面形测量时间分辨率的精度要求,本论文将作为研究对象的动态过程分为三类:慢变化过程、快变化过程和高速旋转与瞬态过程,进而分别针对性地设计和提出了三套三维面形测量技术方案和测量系统。 用视频采集系统记录动态过程中变形结构光场的方法来完成对慢变化过程的三维面形测量;并将该技术方案和测量系统应用到生物医学领域,对处于咀嚼过程中的人脸颊部三维面形作了实物测量,再现了咀嚼中人脸颊部外形的动态变化过程,为医学面颊创伤修复和面部美容整形等研究提供了一种新的动态设计和检查方法,也为人脸识别技术提供了一条新的思路。