運(yùn)動(dòng)物體三維形貌及表面缺陷測(cè)量方法與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究.pdf

1、投影條紋相位測(cè)量技術(shù)是實(shí)驗(yàn)力學(xué)和光學(xué)無(wú)損檢測(cè)中常用的一種非接觸式三維形貌及表面缺陷測(cè)量方法，目前主要用于測(cè)量靜止物體的三維形貌。為使投影條紋相位測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)物體的三維形貌及表面缺陷測(cè)量中，分別構(gòu)建了基于面陣和線陣CCD相機(jī)的測(cè)量系統(tǒng)，采用相移法和傅里葉變換法提取變形條紋圖的相位，成功重建了物體三維形貌。應(yīng)用線掃描圖像系統(tǒng)對(duì)物體的動(dòng)態(tài)變形也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　 論文提出了一種改進(jìn)的基于相移技術(shù)的運(yùn)動(dòng)物體三

2、維形貌在線測(cè)量方法。采用普通面陣CCD相機(jī)搭建了測(cè)量系統(tǒng)。循環(huán)投影相移數(shù)字條紋圖到待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體表面，通過(guò)控制投影與圖像采集時(shí)間間隔，可以拍攝多幅具有相移量相同的物體表面條紋圖，為獲得物體的三維形貌對(duì)傳統(tǒng)的相移算法進(jìn)行了改進(jìn)。該方法成功地將相移技術(shù)用于運(yùn)動(dòng)物體三維形貌測(cè)量，保證了表面曲率較大處的物三維體形貌的測(cè)量精度，且系統(tǒng)硬件要求較低，適合在線產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)。
　　 論文詳細(xì)分析了相移中引入相位誤差的主要因素，包括圖像量化誤差、投

3、影與采集系統(tǒng)非線性誤差和圖像飽和誤差，分別研究了不同因素產(chǎn)生的相位誤差特征，針對(duì)不同的誤差因素研究了相應(yīng)的相位誤差抑制方法。(1)理論推導(dǎo)了圖像量化導(dǎo)致的相位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差公式，采用離散的正弦信號(hào)模擬采集獲得的條紋圖，理論分析結(jié)合數(shù)值模擬得出，圖像量化導(dǎo)致的相位誤差隨著相移步數(shù)、量化位數(shù)、有效量化系數(shù)和條紋調(diào)制度的增加而降低。(2)投影和圖像采集系統(tǒng)的非線性響應(yīng)會(huì)在相位圖中引入周期性的波動(dòng)誤差。分析總結(jié)了非線性響應(yīng)引起相位誤差的理論公式，

4、得出三步相移算法中相位波動(dòng)誤差的空間頻率為投影條紋頻率的四倍，而四步及四步以上相移算法可有效地抑制系統(tǒng)非線性誤差，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析吻合。(3)條紋圖像的局部飽和同樣可在相位圖中產(chǎn)生周期性的相位波動(dòng)誤差。首先定義了飽和系數(shù)來(lái)描述圖像的飽和程度，在提取不同飽和程度的正弦模擬信號(hào)模擬條紋的相位后發(fā)現(xiàn)，飽和導(dǎo)致的相位誤差的標(biāo)準(zhǔn)差隨著飽和系數(shù)的增大而增大。針對(duì)圖像飽和導(dǎo)致的相位波動(dòng)誤差，改進(jìn)了飽和誤差抑制算法，給出了基于三步、四步和六步相移技

5、術(shù)的飽和誤差抑制算法的公式。模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，飽和系數(shù)在算法適用范圍內(nèi)時(shí)，基于幀相移技術(shù)的飽和誤差抑制算法可以有效地消除該類的相位誤差；飽和誤差抑制算法的相位修正范圍將隨幀數(shù)的增加而拓廣。
　　 論文研究了基于線陣相機(jī)掃描技術(shù)的變速運(yùn)動(dòng)物體三維形貌測(cè)量方法，搭建了圖像測(cè)量系統(tǒng)。投影數(shù)字正弦條紋圖對(duì)待測(cè)運(yùn)動(dòng)物體表面進(jìn)行光學(xué)編碼，采用線掃描相機(jī)逐行掃描獲取變形條紋圖。通過(guò)旋轉(zhuǎn)速度編碼器實(shí)時(shí)獲得物體運(yùn)動(dòng)速度，反饋給計(jì)算機(jī)控制線掃描相

6、機(jī)的掃描頻率，解決了變速運(yùn)動(dòng)物體成像的畸變問(wèn)題。分別采用提取條紋中心線法和傅里葉變換法提取物體三維形貌，討論了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。比較分析不同形貌提取方法的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，提取條紋中心線法的測(cè)量精度一般要低于傅里葉變換法，但傅里葉變換法測(cè)量表面曲率較大的物體時(shí)誤差較大，這兩種方法在實(shí)際應(yīng)用中可以互為補(bǔ)充。所研究的雙頻條紋傅里葉變換法則在保證物體三維形貌測(cè)量精度的同時(shí)可有效地克服表面階躍引起的相位包裹。
　　 論文最后研究了基于線掃描

7、圖像系統(tǒng)的弦線振動(dòng)頻率和物體動(dòng)態(tài)變形測(cè)量。采用線掃描系統(tǒng)對(duì)振動(dòng)的弦線進(jìn)行動(dòng)態(tài)成像，獲得弦線上某一測(cè)點(diǎn)的位置變化曲線，由傅里葉變換法提取基頻信息，并與理論值進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證該方法的可靠性。物體動(dòng)態(tài)變形測(cè)量系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)三維形貌測(cè)量系統(tǒng)類似，不同點(diǎn)在于測(cè)量動(dòng)態(tài)變形時(shí)待測(cè)物體與圖像系統(tǒng)間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線掃描相機(jī)反復(fù)掃描待測(cè)物體表面上同一行，獲得該行在不同時(shí)刻的變形條紋信息，采用傅里葉變換法提取該行的輪廓線序列，從而比較被測(cè)物體的動(dòng)態(tài)變形量。本文采用該