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多孔径拼接技术实现360°面形测量

郭红卫  
【摘要】:本文主要研究360°三维形貌的光学测量及其相关技术。 本文选择LCD投影机作为光栅投影设备,构建了以光栅投射技术为原理的多视角测量系统。为了利用该系统实现了360°三维形体的测量与重建,并且确保获得高精度的测量结果,本文对相关技术进行了深入研究。在此基础上,提出了以下新技术: (1) 光栅投射测量系统的快速标定技术 该技术通过平移实物参考面,测得其上位相分布,利用其位移距离与位相增量之间的关系,以最小二乘方法计算位相差与物面深度之间的映射关系。该技术具有原理简单、精度高、操作灵活方便、效率较高的特点。更重要的是,该技术有利于突破光栅投射技术的精度“瓶颈”,对光栅投射技术的发展起到积极的推动作用。 (2) 理想参考面技术 该技术利用理论参考面位相分布规律,对实物参考面的实测位相进行最小二乘拟合,从而获得理想参考面位相分布。该技术兼有理论参考面方法与实物参考面方法的优点。利用该技术,可以基本消除实物参考面的局部面形误差、条纹图像的量化误差以及图像噪声对参考面位相分布测量结果的影响,并且在一定范围内实现了利用小实物参考面测量大尺寸面形。理想参考面技术,以相对低廉的成本,使烦扰光栅投射技术精度保证的主要误差因素之一得以消除,促进了光栅 2001年上海大学博士学位论文 投射技术对更高精度的追求。 (3)相移倾斜误差不敏感算法 由相移器的导向误差引起的相移倾斜误差是相移误差的 重要组成部分。本文提出了相移倾斜误差不敏感算法,通过 交替求解位相分布与相移平面参数的最小二乘解的迭代过程 来逐次提高求解精度,并最终消除包括平移误差和倾斜误差 在内的全部相移误差,获得精确的位相重建结果。该算法首 次将相移倾斜误差纳人相移技术研究视野,是对最小二乘相 移算法和最小二乘相移迭代算法的新的发展。该算法可以用 于相移干涉术和相移光栅投射技术,在提高测量精度的同时, 亦使测量系统对相移装置的精度要求大为降低,具有良好的 实用性。 (4)圆柱坐标下多孔径拼接技术的迭代方法 多孔径拼接技术的基本思想是,使相邻子孔径部分重叠, 利用重叠区域面形信息建立其间相对空间位置关系,据此利 用坐标变换将各子孔径面形统一于同一坐标系下。本文针对 360“三维测量,提出了圆柱坐标下多孔径拼接技术的迭代方 法。该方法之核心,首先在于对圆柱坐标下形式复杂的坐标 变换方程进行线性简化,以改善其可计算性;其次在于确定 三维测量中实现多孔径拼接应遵循的基本条件准则,并据此 提出了交替进行误差运动求解与坐标变换操作的迭代方法。 该方法成功地将多孔径拼接技术由干涉测量推广至三维测量 领域,为360。三维测量提供了一种低成本的主要基于软件 处理的并起到全局标定作用的全新的技术。 这些技术从不同方向为实现360。测量提供了支持,有利 于提高测量精度,减小测量成本,节约测量时间。实验表明, 多孔径拼接技术实现3印“面形侧量 利用本文所构建的360。测量系统,在上述新技术支持下, 可以成功地实现360“三维形体的测量与重建。与见诸文献 的现有技术相比,其精度提高了l至2个数量级,同时亦保 证了良好测量重复性。并且,完成一次360“三维测量仅需20 分钟左右的时间。


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