多波長條紋投影三維測量中相位展開技術(shù)的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學(xué)研究的深入和工業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，人們對于物體三維形貌準(zhǔn)確測量的需求日益強(qiáng)烈，基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測量技術(shù)作為新一代非接觸式三維形貌測量技術(shù)，由于其高分辨率、無破壞、數(shù)據(jù)獲取速度快、實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是最有前途的三維形貌測量方法之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)檢測、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控、機(jī)器視覺、逆向設(shè)計(jì)、生物醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。
　　基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測量技術(shù)是利用投影機(jī)向待測物體投影一組光強(qiáng)呈正弦規(guī)律變化的條

2、紋，并用相機(jī)同時(shí)拍攝經(jīng)物體表面形貌調(diào)制的變形條紋，然后利用條紋分析技術(shù)和相位展開技術(shù)從變形條紋中求解出包含物體表面三維信息的絕對相位，結(jié)合標(biāo)定參數(shù)計(jì)算出待測物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，相位展開技術(shù)直接決定重構(gòu)的三維形貌數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，是三維測量過程中關(guān)鍵的步驟之一。
　　本論文詳細(xì)介紹了基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測量的基本原理、經(jīng)典的條紋分析技術(shù)和相位展開技術(shù)，分析了現(xiàn)有的相位展開方法中存在的問題，然后針對傳統(tǒng)的時(shí)間相位展開算法需

3、要投影和拍攝的圖片數(shù)目過多，實(shí)時(shí)性差等問題對如何在最小化所需圖片數(shù)目的同時(shí)提升相位展開的抗噪性行了深入研究。
　　首先通過對現(xiàn)有的多頻率投影條紋相位展開算法的分析，特別是針對基于空間頻率選擇的雙頻率條紋投影相位展開算法中對條紋設(shè)計(jì)約束較大、相位誤差容限不夠高等問題提出一種基于空間波長選擇的雙波長條紋投影算法。論文詳細(xì)介紹了該方法的基本原理和實(shí)現(xiàn)步驟，表明該方法無需復(fù)雜計(jì)算，僅是通過不等式的求解建立表征包裹相位圖和條紋階數(shù)之間一一對

4、應(yīng)關(guān)系的查找表即可快速完成相位展開操作；論文分析了所選兩個(gè)條紋空間波長的約束條件和相位展開的相位誤差容忍范圍，指出所選兩個(gè)條紋空間波長的最大公約數(shù)越大，則可容忍的最大相位誤差就越大，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。雙波長條紋投影相位展開算法減少了對投影條紋設(shè)計(jì)的約束、降低了相位展開過程的計(jì)算復(fù)雜度、提高了現(xiàn)有獲取展開相位算法的速度、增強(qiáng)了抗噪性，是一種有價(jià)值的時(shí)間相位展開算法。
　　通過對基于空間波長選擇的雙波長條紋投影相位展開算

5、法的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，如果想要更大程度的提升算法的抗噪性，雙波長法不得不增大投影條紋的空間波長，而空間波長的增加將會(huì)導(dǎo)致三維測量性噪比的降低，因此，文章提出了基于空間波長選擇的三波長條紋投影相位展開算法，相對于雙波長法能獲得更好的抗噪性和測量性噪比。因此，當(dāng)雙波長算法能夠從兩幅六步相移技術(shù)得到的包裹相位圖中成功恢復(fù)絕對相位（即僅需12幅條紋圖）時(shí)，三波長算法可以從三幅三步相移技術(shù)得到的包裹相位圖中成功恢復(fù)絕對相位，僅僅需要投影和采集9幅圖

6、片即可實(shí)現(xiàn)正確的相位展開，三維形貌測量的效率得到提高。文章同樣對該算法的基本原理、空間波長選擇的約束條件和抗噪性做了詳細(xì)的分析論證。
　　在基于空間波長選擇的三波長條紋投影相位展開算法中，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盡管該算法能夠成功的恢復(fù)出絕對相位，但結(jié)果中依然存在少數(shù)規(guī)律性的錯(cuò)誤恢復(fù)點(diǎn)，研究發(fā)現(xiàn)這些錯(cuò)誤點(diǎn)的產(chǎn)生與空間波長的選擇有關(guān)，歸因于外差現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以通過更合理的選擇條紋空間波長來規(guī)避這些錯(cuò)誤，但卻會(huì)加大對條紋設(shè)計(jì)的約束?；诖耍ㄟ^對