三維形貌測量實驗

三維形貌測量這個三維坐標，可以把整個世界任意一點的位置確定下來，這個理論在立體幾何，立體測繪等有重要的應用，它可以幫助解決和簡化我們在現實生活的多種問題。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，二維即只存在兩個方向的穿插，將一個二維和一個一維疊合在一起就得到了三維。隨著科學技術與社會生產生活的進展，在機器視覺，實物仿形，工業(yè)因此，光學三維形貌檢測技術受到寬闊學者的重視，正成為光學信息光學的前沿爭論領域與方向之一，當前，也有很多方法可以進展光學三維形貌檢測。紋投影相位移處理技術。試驗原理相位測量輪廓術的根本原理可以得到包含高度信息的相位變化，最終依據三角法原理完成相位---高度的轉換。依據相位檢測方法的不同，主要有MoireFourier位測量輪廓術，本方法就是承受了相位測量輪廓術。圖計算得到包含物體高度信息的相位?；谙辔粶y量的光學三維測量技術本質上照舊是光學三角法，但與光學三學三角法有很大區(qū)分。理。投影系統(tǒng)將一正弦分布的光場投影到被測物體外表,由于受到物面高度分布CCD攝像機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 依據所選的系統(tǒng)模型和系統(tǒng)構造參數可推導出高度hh

(x,y的關11系統(tǒng)中高度和相位的關系0

(x,y)x的線性函數，記為：

(x,y)=Kx=2xp0

(2-4)Cc相位為c(x,y)=(2p0)OC, c

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

/2)

(2-6)tg” 0 CD依據式(2-6)就可以求出物體上各點的高度值。相位的求取過程1布在-和之間，不能真實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:求取截斷相位和截斷相位開放。-和應的真實相位稱為開放相位。傅立葉變換法僅僅通過對一幅條紋圖處理就可以恢復出截斷相位獵取圖n

等間距地變化，利用某一點在屢次采樣中探測到的強度值來擬合出該點的初相位值， 等間距法是最常用的相移算法下面以標準的四步相移算法為例來說明四步n=4,相位移動的增量n條紋圖

依次為:0, 相應的四幀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)立上式中的四個方程，可以計算出相位函數 (x,y)arctanI4(x,y)I2(x,y) I(x,y)I(x,y)1 3(2-8)對于更常用的N幀滿周期等間距相移算法，采樣次數為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截斷相位的開放〔2-9截斷在反三角函數的主值范圍(-π,π)(Phaseunwrapping)PU232-π和π3下：沿截斷的相位數據矩陣的行或列方向，比較相鄰兩個點的相位值(如圖2，假設差值小于-π，則后一點的相位值應加上2π；假設差值大于π，則后一點2π)圖2 截斷相位 圖3連續(xù)相位下面以一維相位函數w(j)w(j)為一維截斷相位函數，其中，0≤j≤N-1，這里，j是采樣點序號，N是采樣點總

(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是取整運算符。

(2-10)一列進展相位開放。只要滿足抽樣定理的條件，相位開放可以沿任意路徑進展。即相臨抽樣點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這幾個參數是在系統(tǒng)滿足確定約束條件下測得參數值，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,并交于參考面內一點。為了便利系統(tǒng)測量，本試驗承受簡便的標定法，避開參數標定的繁瑣過程，4所示,首先建立如圖4所示的物空間坐標系O-XYZ和相位圖像坐標系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是相位圖坐標系中的坐標值;將參考面沿z軸正方向平移確定距離△Z到達z2

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

=(k-1)△z并得到對應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)稱為基準參考面。YYJz1zk-1zkZOOpP(m,n)A1Ak-1AkX I4不同位置參考面高度與相位的對應關系由相位-高度映射算法,物面高度(相對于參考平面)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

成線性關系。但在實際測量中由于成像系

1 h(x,y)

1(x,y)h

之間的關系用高次曲線表示更為恰當。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法線方向與攝像機光軸平行)的個數必需大于等于4,相鄰平面間的距離為一常數。首先令h(x,y) 為零基準面上的連續(xù)相位分布,由平面2平面3平面4三個定每一點的高度值，即實現面形的測量。4試驗操作Readme安裝驅動和軟件。為了從相位分布信息計算出物體的深度/高度信息和寬度信息，必需將相位C數和格式見附錄一。此文件可以使用軟件自帶標定模塊生成。使用流程簡介據處理模塊，分別進展圖像的采集、標定文件的生成和三維重建?！惨弧硤D像采集點擊工具欄中 塊。分為四個區(qū)域：平移臺把握區(qū)、圖像采集與顯示區(qū)和信息區(qū)。假設返回主程序，請點擊“退出”按鈕。平移臺的把握選擇電動平移臺聯(lián)結的串口號，點擊“翻開電移臺”按鈕，00片的幀數。1移”置零。屢次點擊按鈕，將平移臺移動到適宜位置。圖像的采集點擊“設置存放名目”按鈕，設置采集圖像存放的位置。點擊“翻開圖像卡”按鈕，在圖像顯示區(qū)動態(tài)顯示CCD得到的圖像。位置號_相移.bmp，存放在設置的名目中。此時圖像顯示區(qū)顯示采集得到的圖像，幾秒后恢復動態(tài)顯示。假設不轉變位置號或相移數，圖像名不轉變，則采集圖像將掩蓋已有圖像。點擊“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)標定”項?！捕诚到y(tǒng)標定中按鈕或者菜單“系統(tǒng)操作→系統(tǒng)標定”項。設置好標定面位置數，每一標定位置的相移次數，以及標定面每次移動的距”按鈕，開頭標定。最終得到標定文件biaoding.txt，存放在C下?！踩硵祿幚?．按住鼠標左鍵選擇感興趣區(qū)域，再點擊工具欄按鈕或菜單中“系統(tǒng)操作2．按住鼠標左鍵選擇感興趣區(qū)域，再點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，然后依次點擊“數據處理開頭重建完畢后，點擊“OK”按鈕退出數據處理對話框。5．重建完畢后，可以選擇菜單“圖形操作”中的命令，或點擊工具欄重建完畢后，可以選擇菜單“處理結果”中的命令，查看每一步計算結果。5．重建完畢后，可以選擇菜單“圖形操作”中的命令，或點擊工具欄操作，每次操作后點擊平面顯示按鈕，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)。進展圖像放大操作后，如要回到原始大小，點擊鼠標右鍵即可。6．點擊工具欄按鈕或菜單中的“文件→保存”命令，可以將當前圖像顯示區(qū)中顯示的圖像保存為bmp6．點擊工具欄按鈕或菜單中的“文件→保存”命令，可以將當前圖像顯示假設期望連續(xù)計算其它測量圖像，重復1到4步即可。附錄一標定文件格式和參數盤根名目下，假設標定文件不存在，無法進展高度的恢復。Biaoding.txt文件儲存相位－高度轉換所需系數和參考面相位值。對于圖像上每一個點，文件應包含四個參數：ParPhaseHeight1、ParPhaseHeight2ParPhaseHeight3UnwrapPhaseRef0，均為二維矩陣，矩陣CCD像面大小確定的，也就是由標定測量視場所確定。相位－高度轉換依據二次函數關系確定。像面上某一點(u,v)的高度可以由下式計算得到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－高度標定時依據上式確定的擬合系數，UnwrapPhaseRef0是計算高度時所需的參考平面，是依據試驗系統(tǒng)和實際狀況人為指定的某一個標定平面，UnwrapPhase(u,v)是像面上(u,v)點的開放相位值。附錄二 圖像文件命名規(guī)章重建。數據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：第一標定面位置含有質心圖像；******00_1.bmp：第一標定面位置第一幀條紋圖像；******00_2.bmp：第一標定面位置其次幀條紋圖像；……******01_0.bmp：其次標定面位置含有質心圖像；******01_1.bmp：其次標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 圖形操作命令簡介放大：選擇“圖形操作”菜單欄中“放大”命令或點擊工具欄可進作。放大：選擇“圖形操作”菜單欄中“放大”命令或點擊工具欄可進拉線：選擇“圖形操作”菜單欄中“拉線”命令或點擊工具欄可進始大小，點擊鼠標右鍵即可。拉線：選擇“圖形操作”菜單欄中“拉線”命令或點擊工具欄可進圖像。假設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”命令或點擊工具圖像。假設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”命令或點擊工具顯示狀態(tài)，擊平面顯示按鈕即可。此命令下可對圖像進展平移和旋轉操作，平面顯示：選擇“圖形操作”菜單欄中“平面顯示”命令或點擊工具shift顯示狀態(tài)，擊平面顯示按鈕即可。此命令下可對圖像進展平移和旋轉操作，平面顯示：選擇“圖形操作”菜單欄中“平面顯示”命令或點擊工具欄可在圖像顯示區(qū)顯示灰度平面