多波長(zhǎng)條紋投影三維測(cè)量中相位展開(kāi)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(duì)于物體三維形貌準(zhǔn)確測(cè)量的需求日益強(qiáng)烈，基于數(shù)字條紋投影的三維形貌測(cè)量技術(shù)作為新一代非接觸式三維形貌測(cè)量技術(shù)，由于其高分辨率、無(wú)破壞、數(shù)據(jù)獲取速度快、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是最有前途的三維形貌測(cè)量方法之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控、機(jī)器視覺(jué)、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(cè)量技術(shù)是利用投影機(jī)向待測(cè)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(kāi)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(duì)相位，結(jié)合標(biāo)定參數(shù)計(jì)算出待測(cè)物體表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。其中，相位展開(kāi)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(cè)量過(guò)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(cè)量的基本原理、經(jīng)典的條紋分析技術(shù)和相位展開(kāi)技術(shù)，分析了現(xiàn)有的相位展開(kāi)方法中存在的問(wèn)題，然后針對(duì)傳統(tǒng)的時(shí)間相位展開(kāi)算法需

3、要投影和拍攝的圖片數(shù)目過(guò)多，實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題對(duì)如何在最小化所需圖片數(shù)目的同時(shí)提升相位展開(kāi)的抗噪性行了深入研究。
　　首先通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的多頻率投影條紋相位展開(kāi)算法的分析，特別是針對(duì)基于空間頻率選擇的雙頻率條紋投影相位展開(kāi)算法中對(duì)條紋設(shè)計(jì)約束較大、相位誤差容限不夠高等問(wèn)題提出一種基于空間波長(zhǎng)選擇的雙波長(zhǎng)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(wú)需復(fù)雜計(jì)算，僅是通過(guò)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(duì)

4、應(yīng)關(guān)系的查找表即可快速完成相位展開(kāi)操作；論文分析了所選兩個(gè)條紋空間波長(zhǎng)的約束條件和相位展開(kāi)的相位誤差容忍范圍，指出所選兩個(gè)條紋空間波長(zhǎng)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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。雙波長(zhǎng)條紋投影相位展開(kāi)算法減少了對(duì)投影條紋設(shè)計(jì)的約束、降低了相位展開(kāi)過(guò)程的計(jì)算復(fù)雜度、提高了現(xiàn)有獲取展開(kāi)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(kāi)算法。
　　通過(guò)對(duì)基于空間波長(zhǎng)選擇的雙波長(zhǎng)條紋投影相位展開(kāi)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(zhǎng)法不得不增大投影條紋的空間波長(zhǎng)，而空間波長(zhǎng)的增加將會(huì)導(dǎo)致三維測(cè)量性噪比的降低，因此，文章提出了基于空間波長(zhǎng)選擇的三波長(zhǎng)條紋投影相位展開(kāi)算法，相對(duì)于雙波長(zhǎng)法能獲得更好的抗噪性和測(cè)量性噪比。因此，當(dāng)雙波長(zhǎng)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(duì)相位（即僅需12幅條紋圖）時(shí)，三波長(zhǎng)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(duì)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(kāi)，三維形貌測(cè)量的效率得到提高。文章同樣對(duì)該算法的基本原理、空間波長(zhǎng)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(zhǎng)選擇的三波長(zhǎng)條紋投影相位展開(kāi)算法中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)盡管該算法能夠成功的恢復(fù)出絕對(duì)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(zhǎng)的選擇有關(guān)，歸因于外差現(xiàn)象的出現(xiàn)，可以通過(guò)更合理的選擇條紋空間波長(zhǎng)來(lái)規(guī)避這些錯(cuò)誤，但卻會(huì)加大對(duì)條紋設(shè)計(jì)的約束?；诖?，通過(guò)對(duì)