三維形貌測(cè)量實(shí)驗(yàn)

三維形貌測(cè)量這個(gè)三維坐標(biāo)，可以把整個(gè)世界任意一點(diǎn)的位置確定下來，這個(gè)理論在立體幾何，立體測(cè)繪等有重要的應(yīng)用，它可以幫助解決和簡(jiǎn)化我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活的多種問題。所謂的三維空間是指我們所處的空間 ,三維具有立體性，可以通俗的理解為前后，左右，上下。三維是由二維組成的，二維即只存在兩個(gè)方向的穿插，將一個(gè)二維和一個(gè)一維疊合在一起就得到了三維。隨著科學(xué)技術(shù)與社會(huì)生產(chǎn)生活的進(jìn)展，在機(jī)器視覺，實(shí)物仿形，工業(yè)因此，光學(xué)三維形貌檢測(cè)技術(shù)受到寬闊學(xué)者的重視，正成為光學(xué)信息光學(xué)的前沿爭(zhēng)論領(lǐng)域與方向之一，當(dāng)前，也有很多方法可以進(jìn)展光學(xué)三維形貌檢測(cè)。紋投影相位移處理技術(shù)。試驗(yàn)原理相位測(cè)量輪廓術(shù)的根本原理可以得到包含高度信息的相位變化，最終依據(jù)三角法原理完成相位---高度的轉(zhuǎn)換。依據(jù)相位檢測(cè)方法的不同，主要有MoireFourier位測(cè)量輪廓術(shù)，本方法就是承受了相位測(cè)量輪廓術(shù)。圖計(jì)算得到包含物體高度信息的相位?；谙辔粶y(cè)量的光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)本質(zhì)上照舊是光學(xué)三角法，但與光學(xué)三學(xué)三角法有很大區(qū)分。理。投影系統(tǒng)將一正弦分布的光場(chǎng)投影到被測(cè)物體外表,由于受到物面高度分布CCD攝像機(jī)獵取的變形條紋可表示為:I(x,y)A(x,y)B(x,y)cos[(x,y)n

] (n=0,1,…,N-1)n

(2-1)nnIn

(x,y、A(x,y)B(xy

附加的相移值,如承受多步相n

。所求被測(cè)物面上的相位分布可表示為:nN1I(x,y)sin(2/N)n n(x,y)arctann0

(2-2)N1I(x,y)cos(2/N) n n0用相位開放算法可得物面上的連續(xù)相位分布(x,y(x,y為參考平r面上的連續(xù)相位分布，由于物體引起的相位變化為h (x,y)(x,y)(x,y) h 依據(jù)所選的系統(tǒng)模型和系統(tǒng)構(gòu)造參數(shù)可推導(dǎo)出高度hh

(x,y的關(guān)11系統(tǒng)中高度和相位的關(guān)系0

(x,y)x的線性函數(shù)，記為：

(x,y)=Kx=2xp0

(2-4)Cc相位為c(x,y)=(2p0)OC, c

D點(diǎn)在CCD上的位置一樣，A點(diǎn)的相位。有D=A=(2p0)OA,明顯AC=(p02)CD (2-5)則D點(diǎn)相對(duì)于參考平面的高度h為h AC 當(dāng)觀看方向垂直于參考平tgtg”面時(shí)，上式可表示為：hAC=(p/tg)(

/2)

(2-6)tg” 0 CD依據(jù)式(2-6)就可以求出物體上各點(diǎn)的高度值。相位的求取過程1布在-和之間，不能真實(shí)的反映出物體外表的空間相位分布，因此相位的求取過程可分為兩大步:求取截?cái)嘞辔缓徒財(cái)嘞辔婚_放。-和應(yīng)的真實(shí)相位稱為開放相位。傅立葉變換法僅僅通過對(duì)一幅條紋圖處理就可以恢復(fù)出截?cái)嘞辔猾C取圖n

等間距地變化，利用某一點(diǎn)在屢次采樣中探測(cè)到的強(qiáng)度值來擬合出該點(diǎn)的初相位值， 等間距法是最常用的相移算法下面以標(biāo)準(zhǔn)的四步相移算法為例來說明四步n=4,相位移動(dòng)的增量n條紋圖

依次為:0, 相應(yīng)的四幀I(x,y)A(x,y)B(x,y)cos(x,y)1 I(x,y)A(x,y)B(x,y)sin (x,y)I2(x,y)A(x,y)B(x,y)cos(x,y)

(2-7)3I(x,y)A(x,y)B(x,y)sin4

(x,y)聯(lián)立上式中的四個(gè)方程，可以計(jì)算出相位函數(shù) (x,y)arctanI4(x,y)I2(x,y) I(x,y)I(x,y)1 3(2-8)對(duì)于更常用的N幀滿周期等間距相移算法，采樣次數(shù)為N, = 則nN1I(x,y)sin(2/N)n n(x,y)arctann0

(2-9)N1I(x,y)cos(2/N) n n0N幀滿周期等間距相移算法，理論分析證明，N幀滿周期等間N－1次以下的諧波不敏感。2截?cái)嘞辔坏拈_放〔2-9截?cái)嘣诜慈呛瘮?shù)的主值范圍(-π,π)(Phaseunwrapping)PU232-π和π3下：沿截?cái)嗟南辔粩?shù)據(jù)矩陣的行或列方向，比較相鄰兩個(gè)點(diǎn)的相位值(如圖2，假設(shè)差值小于-π，則后一點(diǎn)的相位值應(yīng)加上2π；假設(shè)差值大于π，則后一點(diǎn)2π)圖2 截?cái)嘞辔?圖3連續(xù)相位下面以一維相位函數(shù)w(j)w(j)為一維截?cái)嘞辔缓瘮?shù)，其中，0≤j≤N-1，這里，j是采樣點(diǎn)序號(hào)，N是采樣點(diǎn)總

(j)來表示，則相位開放過程可表示如下：uu(j)=w(j)+2njnj=INT(w(j)-w(j-1)/2)+nj-1n0=0上式中，INT是取整運(yùn)算符。

(2-10)一列進(jìn)展相位開放。只要滿足抽樣定理的條件，相位開放可以沿任意路徑進(jìn)展。即相臨抽樣點(diǎn)之間的相位變化大于π局部解決。3(2-6)CCD離L共軛相位面上的光柵條紋周期p 以及投射光軸和成像光軸之間的夾角。0這幾個(gè)參數(shù)是在系統(tǒng)滿足確定約束條件下測(cè)得參數(shù)值，這些約束條件包括：CCD投射系統(tǒng)的出瞳和成像系統(tǒng)的入瞳之間的連線要與參考面平行;投射系統(tǒng)的光軸和CCD光軸在同一平面內(nèi),并交于參考面內(nèi)一點(diǎn)。為了便利系統(tǒng)測(cè)量，本試驗(yàn)承受簡(jiǎn)便的標(biāo)定法，避開參數(shù)標(biāo)定的繁瑣過程，4所示,首先建立如圖4所示的物空間坐標(biāo)系O-XYZ和相位圖像坐標(biāo)系OIJ:以參考面所在的平面為XOY平面(也就是零基pXOYXOYOZI1位的開放相位分布為(i,j,1),i,j是相位圖坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值;將參考面沿z軸正方向平移確定距離△Z到達(dá)z2

=△Z紋分布，并由此求得開放相位 (i,j,2);同理，依次等間距移動(dòng)參考面到多個(gè)位置zk

=(k-1)△z并得到對(duì)應(yīng)位置參考面上的開放相位

(i,j,k),zk=1,2,...,Kk因此把它們統(tǒng)稱為基準(zhǔn)參考面。YYJz1zk-1zkZOOpP(m,n)A1Ak-1AkX I4不同位置參考面高度與相位的對(duì)應(yīng)關(guān)系由相位-高度映射算法,物面高度(相對(duì)于參考平面)可表示為：1 a(x,y)

b(x,y)h(x,y) h

(x,y)

(2-11)

1 h(x,y)

1(x,y)h

成線性關(guān)系。但在實(shí)際測(cè)量中由于成像系

1 h(x,y)

1(x,y)h

之間的關(guān)系用高次曲線表示更為恰當(dāng)。本文承受二次曲線,(2-10)式可改寫為:1 a(x,y)b(x,y) 1 c(x,y) 1 h(x,y) (x,y) 2(x,y)h h

(2-12)(x,y4法線方向與攝像機(jī)光軸平行)的個(gè)數(shù)必需大于等于4,相鄰平面間的距離為一常數(shù)。首先令h(x,y) 為零基準(zhǔn)面上的連續(xù)相位分布,由平面2平面3平面4三個(gè)定每一點(diǎn)的高度值，即實(shí)現(xiàn)面形的測(cè)量。4試驗(yàn)操作Readme安裝驅(qū)動(dòng)和軟件。為了從相位分布信息計(jì)算出物體的深度/高度信息和寬度信息，必需將相位C數(shù)和格式見附錄一。此文件可以使用軟件自帶標(biāo)定模塊生成。使用流程簡(jiǎn)介據(jù)處理模塊，分別進(jìn)展圖像的采集、標(biāo)定文件的生成和三維重建?！惨弧硤D像采集點(diǎn)擊工具欄中 塊。分為四個(gè)區(qū)域：平移臺(tái)把握區(qū)、圖像采集與顯示區(qū)和信息區(qū)。假設(shè)返回主程序，請(qǐng)點(diǎn)擊“退出”按鈕。平移臺(tái)的把握選擇電動(dòng)平移臺(tái)聯(lián)結(jié)的串口號(hào)，點(diǎn)擊“翻開電移臺(tái)”按鈕，00片的幀數(shù)。1移”置零。屢次點(diǎn)擊按鈕，將平移臺(tái)移動(dòng)到適宜位置。圖像的采集點(diǎn)擊“設(shè)置存放名目”按鈕，設(shè)置采集圖像存放的位置。點(diǎn)擊“翻開圖像卡”按鈕，在圖像顯示區(qū)動(dòng)態(tài)顯示CCD得到的圖像。位置號(hào)_相移.bmp，存放在設(shè)置的名目中。此時(shí)圖像顯示區(qū)顯示采集得到的圖像，幾秒后恢復(fù)動(dòng)態(tài)顯示。假設(shè)不轉(zhuǎn)變位置號(hào)或相移數(shù)，圖像名不轉(zhuǎn)變，則采集圖像將掩蓋已有圖像。點(diǎn)擊“相移+11，采集下一幀圖片。00?！?〕.0。中按鈕或者菜單“系統(tǒng)操作→系統(tǒng)標(biāo)定”項(xiàng)?！捕诚到y(tǒng)標(biāo)定中按鈕或者菜單“系統(tǒng)操作→系統(tǒng)標(biāo)定”項(xiàng)。設(shè)置好標(biāo)定面位置數(shù)，每一標(biāo)定位置的相移次數(shù)，以及標(biāo)定面每次移動(dòng)的距”按鈕，開頭標(biāo)定。最終得到標(biāo)定文件biaoding.txt，存放在C下?！踩硵?shù)據(jù)處理2．按住鼠標(biāo)左鍵選擇感興趣區(qū)域，再點(diǎn)擊工具欄按鈕或菜單中“系統(tǒng)操作2．按住鼠標(biāo)左鍵選擇感興趣區(qū)域，再點(diǎn)擊工具欄按鈕或菜單中“系統(tǒng)操作在下拉菜單中選擇相移次數(shù)，然后依次點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)處理開頭重建完畢后，點(diǎn)擊“OK”按鈕退出數(shù)據(jù)處理對(duì)話框。5．重建完畢后，可以選擇菜單“圖形操作”中的命令，或點(diǎn)擊工具欄重建完畢后，可以選擇菜單“處理結(jié)果”中的命令，查看每一步計(jì)算結(jié)果。5．重建完畢后，可以選擇菜單“圖形操作”中的命令，或點(diǎn)擊工具欄操作，每次操作后點(diǎn)擊平面顯示按鈕，顯示的圖像可回到灰度平面顯示操作，每次操作后點(diǎn)擊平面顯示按鈕，顯示的圖像可回到灰度平面顯示狀態(tài)。進(jìn)展圖像放大操作后，如要回到原始大小，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵即可。6．點(diǎn)擊工具欄按鈕或菜單中的“文件→保存”命令，可以將當(dāng)前圖像顯示區(qū)中顯示的圖像保存為bmp6．點(diǎn)擊工具欄按鈕或菜單中的“文件→保存”命令，可以將當(dāng)前圖像顯示假設(shè)期望連續(xù)計(jì)算其它測(cè)量圖像，重復(fù)1到4步即可。附錄一標(biāo)定文件格式和參數(shù)盤根名目下，假設(shè)標(biāo)定文件不存在，無法進(jìn)展高度的恢復(fù)。Biaoding.txt文件儲(chǔ)存相位－高度轉(zhuǎn)換所需系數(shù)和參考面相位值。對(duì)于圖像上每一個(gè)點(diǎn)，文件應(yīng)包含四個(gè)參數(shù)：ParPhaseHeight1、ParPhaseHeight2ParPhaseHeight3UnwrapPhaseRef0，均為二維矩陣，矩陣CCD像面大小確定的，也就是由標(biāo)定測(cè)量視場(chǎng)所確定。相位－高度轉(zhuǎn)換依據(jù)二次函數(shù)關(guān)系確定。像面上某一點(diǎn)(u,v)的高度可以由下式計(jì)算得到phase(u,v)＝UnwrapPhase(u,v)－UnwrapPhaseRef0(u,v)Z(u, v) = ParPhaseHeight1(u, v)*phase(u, v)^2 + v)*phase(u,v)+ParPhaseHeight3(u,v)ParPhaseHeight1、ParPhaseHeight2ParPhaseHeight3是位相－高度標(biāo)定時(shí)依據(jù)上式確定的擬合系數(shù)，UnwrapPhaseRef0是計(jì)算高度時(shí)所需的參考平面，是依據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)際狀況人為指定的某一個(gè)標(biāo)定平面，UnwrapPhase(u,v)是像面上(u,v)點(diǎn)的開放相位值。附錄二 圖像文件命名規(guī)章重建。數(shù)據(jù)處理所用的圖像命名規(guī)章如下：******0.bmp：含有圓心的圖像；******1.bmp：第一幀條紋圖像；******2.bmp：其次幀條紋圖像；******3.bmp：第三幀條紋圖像；……test3-0、test3-1、test3-2、test3-3、test3-4、test3-5。******00_0.bmp：第一標(biāo)定面位置含有質(zhì)心圖像；******00_1.bmp：第一標(biāo)定面位置第一幀條紋圖像；******00_2.bmp：第一標(biāo)定面位置其次幀條紋圖像；……******01_0.bmp：其次標(biāo)定面位置含有質(zhì)心圖像；******01_1.bmp：其次標(biāo)定面位置第一幀條紋圖像；……分別為：Capture00_0.bmp、Capture00_1bmp、Capture00_2.bmp、Capture01_0.bmp、Capture01_1.bmp……附錄三 圖形操作命令簡(jiǎn)介放大：選擇“圖形操作”菜單欄中“放大”命令或點(diǎn)擊工具欄可進(jìn)作。放大：選擇“圖形操作”菜單欄中“放大”命令或點(diǎn)擊工具欄可進(jìn)拉線：選擇“圖形操作”菜單欄中“拉線”命令或點(diǎn)擊工具欄可進(jìn)始大小，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵即可。拉線：選擇“圖形操作”菜單欄中“拉線”命令或點(diǎn)擊工具欄可進(jìn)圖像。假設(shè)要回到平面顯示狀態(tài)，擊平面顯示按鈕即可。三維顯示：選擇“圖形操作”菜單欄中“三維顯示”命令或點(diǎn)擊工具圖像。假設(shè)要回到平面顯示狀態(tài)，擊平面顯示按鈕即可。三維顯示：選擇“圖形操作”菜單欄中“三維顯示”命令或點(diǎn)擊工具顯示狀態(tài)，擊平面顯示按鈕即可。此命令下可對(duì)圖像進(jìn)展平移和旋轉(zhuǎn)操作，平面顯示：選擇“圖形操作”菜單欄中“平面顯示”命令或點(diǎn)擊工具shift顯示狀態(tài)，擊平面顯示按鈕即可。此命令下可對(duì)圖像進(jìn)展平移和旋轉(zhuǎn)操作，平面顯示：選擇“圖形操作”菜單欄中“平面顯示”命令或點(diǎn)擊工具欄可在圖像顯示區(qū)顯示灰度平面