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會產(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頻分析法在時域和頻域分析中會受到海森堡不確定定理的約束，因此，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的經(jīng)驗?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-頻-譜分析來判斷經(jīng)驗?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，提出自行設(shè)計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?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實現(xiàn)信號的解調(diào)。輔助噪聲的分析方法有效，但一定程度上會造成噪聲殘留，經(jīng)過實驗觀察和理論分析發(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，實現(xiàn)噪聲的有效去除，進(jìn)而使分解更加合理有效，實現(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)用到實際系統(tǒng)中，結(jié)合仿真實驗以及實際物體的實驗，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)。實驗證明本文所提出的噪聲條紋