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相位测量轮廓术关键技术及应用研究

李勇  
【摘要】:光学三维传感具有广阔的应用前景,并且逐渐普及。采用结构照明的三维传感方法,包括相位测量轮廓术(Phase Measurement Profilometry,简称PMP)、傅立叶变换轮廓术(Fourier Transform Profilometry,简称FTP)、调制度测量轮廓术(Modulation Measurement Profilometry,简称MMP)等,近年来受到了极大的重视。 相位测量轮廓术根据观察物体上条纹的变形情况来测量物体三维形貌。它通过多幅相移条纹图来计算得到截断的相位,再通过相位展开算法将截断相位展开为连续相位,最后根据一定的算法从相位分布中恢复物体的实际三维面形。本论文的工作是在已有的研究工作基础上,重点研究了相位测量轮廓术中的条纹投影及获取,相位展开,相位一高度映射关系,测量系统标定等关键技术,分析了影响相位测量轮廓术测量精度的因素,讨论了双传感器数据融合及三维测量数据计算全息可视化中的隐藏面问题等实际应用问题。主要研究成果如下: 1.通过实验研究数字微镜器件的时空特性对相位测量轮廓术的影响,分析了DLP采用的时分复用脉宽调制技术,投影光场在时间上不恒定,但周期性变化的规律。最后得到,在PMP中摄像机的积分时间应该为投影仪刷新周期的整数倍才能获得高的测量精度。 2.深入研究了可靠度导向的相位展开算法。提出一种采用虚拟队列的新算法设计,使相位展开速度提高了至少20倍,在某些情况下可提高100多倍,而相位展开的可靠度却没有降低,有利于PMP系统在复杂面形测量中的实际应用。 3.深入研究了PMP测量系统的标定原理,提出了一种大视场PMP测量系统的现场标定方法。该方法只采用一块小的平面标定靶在测量体积内比较随意地摆放多次即可实现测量系统参数的标定。研究了双摄像机数据融合方法和黑白摄像机获取彩色纹理的方法。提出以调制度为依据,检测测量数据的有效范围。根据PMP测量仪的特点,提出了数据拼接区的选择原则及采用加权平均进行数据融合的方法。 4.深入研究了PMP测量系统的模型,首次提出了一种新的相位—高度映射关系。该算法采用多项式表示相位、高度关系,实验表明它有较高的精度。提出一种光栅畸


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