單條紋圖三維測量關(guān)鍵問題研究.pdf

1、光學(xué)三維測量以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融計(jì)算機(jī)圖像處理、信號處理等技術(shù)為一體，具有非接觸、測量速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。單條紋圖三維測量技術(shù)，如傅里葉變換輪廓術(shù)、小波變換輪廓術(shù)等，僅需獲取一幅測量物體的變形條紋圖，通過對有用信息的提取和恢復(fù)即可獲得物體的三維信息。單條紋圖三維測量系統(tǒng)構(gòu)成簡單且易操作，可廣泛用于動(dòng)態(tài)物體的三維形狀測量。對面形復(fù)雜程度不同的物體，如何僅通過一幅條紋圖便精確提取包含物體高度信息的有效成分，成

2、為該技術(shù)領(lǐng)域特有的核心問題。本文針對單條紋圖三維測量中的條紋分析、噪聲抑制、相位解調(diào)等關(guān)鍵問題，展開了系統(tǒng)和深入的研究，并將研究成果應(yīng)用到單條紋圖光柵投影測量系統(tǒng)中，其中，創(chuàng)新內(nèi)容包括:
　　1)提出一種傅里葉變換輪廓術(shù)中的零頻分量抑制法。在傅里葉變換輪廓術(shù)中，由條紋圖背景產(chǎn)生的零頻分量較易與基頻分量產(chǎn)生頻譜混疊，該頻譜混疊會(huì)給頻率域的濾波帶來較大困難，針對該問題，本文提出一種自適應(yīng)的背景分量提取方法，從垂直、水平兩個(gè)方向?qū)l紋圖

3、進(jìn)行分析處理，并將提取結(jié)果進(jìn)行中值濾波，可進(jìn)一步提高背景分量的提取精度，從而實(shí)現(xiàn)精確的零頻抑制。
　　2)提出新的自適應(yīng)窗口傅里葉變換輪廓術(shù)。傳統(tǒng)的傅里葉變換輪廓術(shù)只能處理表面變化較平穩(wěn)的物體，當(dāng)被測物體表面形狀復(fù)雜或者含有較大高度跳變時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大誤差。本文討論了傅里葉變換輪廓術(shù)中基頻分量與其他分量的約束關(guān)系，根據(jù)瞬時(shí)頻率可反映相位變化這一特性，提出一種自適應(yīng)確定條紋信號局部平穩(wěn)區(qū)域的方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行自適應(yīng)窗口傅里葉變換，提

4、高了對信號的局部分析能力，從而精確地恢復(fù)相位。
　　3)提出一種噪聲輔助分析的相位提取法。由于傅里葉變換輪廓術(shù)、小波變換輪廓術(shù)等基于傅里葉分析的時(shí)頻分析法在時(shí)域和頻域分析中會(huì)受到海森堡不確定定理的約束，因此，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解法成為條紋分析的研究熱點(diǎn)。本文基于希爾伯特-黃變換來分析條紋圖像，結(jié)合時(shí)-頻-譜分析來判斷經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解過程中是否存在由不連續(xù)噪聲引起的模式混疊問題。當(dāng)該問題存在時(shí)，提出自行設(shè)計(jì)并添加高頻信號使不連續(xù)噪

5、聲變得連續(xù)，以解決模式混疊問題，使分解效率得到提高并且分解結(jié)果物理意義明確，最終實(shí)現(xiàn)精確的相位解調(diào)。
　　4)提出基于幅頻系數(shù)噪聲抑制的條紋分析法。經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解采用插值法形成極值包絡(luò)，易造成過度迭代及邊緣效應(yīng)，故本文引進(jìn)基于滑動(dòng)平均法的局部均值分解方法，提高局部信號的分析能力，且在信號分解的同時(shí)實(shí)現(xiàn)信號的解調(diào)。輔助噪聲的分析方法有效，但一定程度上會(huì)造成噪聲殘留，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)觀察和理論分析發(fā)現(xiàn)，由不連續(xù)噪聲引起的模式混疊，其模式混疊位置

6、即是噪聲出現(xiàn)的位置，因此本文通過分析條紋圖像中噪聲的特性，提出一種簡單、直接的噪聲分析方法，該方法通過對分解結(jié)果的幅頻特性分析，在局部均值分解過程中迭代檢測并去除噪聲，實(shí)現(xiàn)噪聲的有效去除，進(jìn)而使分解更加合理有效，實(shí)現(xiàn)載頻分量的有效提取。
　　5)提出基于差分信號輔助分析的條紋分析法。為了綜合解決由不連續(xù)噪聲引起的模式混疊或混合信號相互作用產(chǎn)生的模式混疊問題，經(jīng)過深入研究，本文提出構(gòu)造并添加差分信號的方法，能夠在綜合解決兩種模式混疊

7、問題的同時(shí)消除了所添加信號對原信號的干擾。所構(gòu)造的差分信號是通過分析不同模式的截止頻率比率，結(jié)合模式混疊的程度自適應(yīng)設(shè)計(jì)而成。該方法不必判斷模式混疊問題是否存在，具有較好的魯棒性，并且具有較好的去噪效果及非常高效、穩(wěn)定的條紋分析能力。
　　最后，本文實(shí)現(xiàn)了單條紋圖光柵投影測量系統(tǒng)，并將上述方法應(yīng)用到實(shí)際系統(tǒng)中，結(jié)合仿真實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際物體的實(shí)驗(yàn)，對上述方法進(jìn)行了分析和對比。所提方法不局限于光柵投影測量系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明本文所提出的噪聲條紋