運動物體三維形貌及表面缺陷測量方法與實驗系統(tǒng)研究.pdf

1、投影條紋相位測量技術(shù)是實驗力學(xué)和光學(xué)無損檢測中常用的一種非接觸式三維形貌及表面缺陷測量方法，目前主要用于測量靜止物體的三維形貌。為使投影條紋相位測量技術(shù)應(yīng)用于運動物體的三維形貌及表面缺陷測量中，分別構(gòu)建了基于面陣和線陣CCD相機的測量系統(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)對物體的動態(tài)變形也進行了實驗研究。具體研究內(nèi)容如下：
　　 論文提出了一種改進的基于相移技術(shù)的運動物體三

2、維形貌在線測量方法。采用普通面陣CCD相機搭建了測量系統(tǒng)。循環(huán)投影相移數(shù)字條紋圖到待測運動物體表面，通過控制投影與圖像采集時間間隔，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傳統(tǒng)的相移算法進行了改進。該方法成功地將相移技術(shù)用于運動物體三維形貌測量，保證了表面曲率較大處的物三維體形貌的測量精度，且系統(tǒng)硬件要求較低，適合在線產(chǎn)品質(zhì)量檢測。
　　 論文詳細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)會在相位圖中引入周期性的波動誤差。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，且實驗結(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誤差。首先定義了飽和系數(shù)來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。針對圖像飽和導(dǎo)致的相位波動誤差，改進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。模擬和實驗結(jié)果表明，飽和系數(shù)在算法適用范圍內(nèi)時，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掃描技術(shù)的變速運動物體三維形貌測量方法，搭建了圖像測量系統(tǒng)。投影數(shù)字正弦條紋圖對待測運動物體表面進行光學(xué)編碼，采用線掃描相機逐行掃描獲取變形條紋圖。通過旋轉(zhuǎn)速度編碼器實時獲得物體運動速度，反饋給計算機控制線掃描相

6、機的掃描頻率，解決了變速運動物體成像的畸變問題。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。比較分析不同形貌提取方法的實驗結(jié)果可得，提取條紋中心線法的測量精度一般要低于傅里葉變換法，但傅里葉變換法測量表面曲率較大的物體時誤差較大，這兩種方法在實際應(yīng)用中可以互為補充。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量精度的同時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)的弦線振動頻率和物體動態(tài)變形測量。采用線掃描系統(tǒng)對振動的弦線進行動態(tài)成像，獲得弦線上某一測點的位置變化曲線，由傅里葉變換法提取基頻信息，并與理論值進行比較來驗證該方法的可靠性。物體動態(tài)變形測量系統(tǒng)與運動三維形貌測量系統(tǒng)類似，不同點在于測量動態(tài)變形時待測物體與圖像系統(tǒng)間無相對運動，線掃描相機反復(fù)掃描待測物體表面上同一行，獲得該行在不同時刻的變形條紋信息，采用傅里葉變換法提取該行的輪廓線序列，從而比較被測物體的動態(tài)變形量。本文采用該