2018-10-27 note:基于相位测量法的光学三维形貌测量研究_刘菲

傅立叶变换方法的原理概括来说就是用傅立叶变换把条纹图从空域变换到频域,在频域中把高频噪声以及载波去掉,而仅仅保留条纹频率。然后用逆变换把频域还原到空域得到一个复数的条纹场分布,这样通过复数运算即可得出条纹场的相位值。

由于正弦光栅形成的结构光场的频谱分布只存在零频和正负两个基频,频谱不易发生混叠,而且测量范围比朗奇光栅大。使用正弦光场既提高了系统的灵敏度又保证了条纹场产生的基频的质量,增加了重建物体三维形貌所需的信息量。

计算过程中没有经过傅立叶变换和频谱滤波,有用信息的能量损失较小,因此还原精度高,一般来说对相位的测量精度可以达到几十分之一到几百分之一个条纹周期。

CCD 摄像机[32]中最重要的组件就是 CCD,CCD 是 Charge Coupled Device(电荷耦合器件)的缩写,是一种半导体成像器件,具有体积小、重量轻、稳定性高、寿命长、灵敏度高、图像畸变小、空间分辨率高等优点。从成像色彩上可划分为两类:彩色摄像机和黑白摄像机,前者适用于景物细部辨别,如辨别衣着或景物的颜色。后者适用于光线不充足地区及夜间无法安装照明设备的地区,或仅用于监视景物的位置或移动。彩色摄像机因其能分辩颜色而使信息量增大,一般是黑白摄像机的 10 倍,但是在具有相同像素的情况下,黑白摄像机具有更高的分辨率。

摄像机的分辨率就是指水平分辨率,其单位为线对(Tv Lines),即成像后可以分辨的黑白线对的数目。常用的黑白摄像机的分辨率一般为 380-600,数值越大成像越清晰。一般的监视场合,用 400 线左右的黑白摄像机就可以满足要求。而对于医疗、图像处理等特殊场合,用 600 线的摄像机能得到更清晰的图像。

信噪比的典型值为 46dB,其值越大,成像质量越好,噪声越小,若为 50dB,则图像质量良好,有少量噪声;若为 60dB,则图像质量优良,不出现噪声。

灵敏度也称最低照度,是 CCD 对环境光线的敏感程度,或者说是 CCD 正常成像时所需要的最暗光线。照度的单位是勒克斯(Lux),数值越小,表示需要的光线越少,摄像头也越灵敏。按照灵敏度摄像机可分为四种类型:普通型,正常工作所需照度为 1~3Lux;月光型,正常工作所需照度为 0.1Lux 左右;星光型,正常工作所需照度为 0.01Lux 以下;红外型,采用红外灯照明,在没有光线的情况下也可以成像。常见的参考环境的照度:夏日阳光下约 100000Lux,阴天室外约10000Lux,室内日光灯约 100Lux  ,黄昏室内约 10Lux。可见,在通常的测量条件下,普通型的摄像机即可满足实验要求。

CD 投影机的像元是液晶板上的液晶单元,液晶板一旦选定,分辨率就基本确定了,所以 LCD 投影机调节分辨率的功能要比 CRT 投影机差。

常用的滤波窗口有矩形窗、汉宁窗和海明窗等,虽然矩形窗的边缘效应(gibus)比其它两种窗口明显,但是由于在实际测量中一般都不使用边缘部分的值,而且用矩形窗滤波后中间部分的误差较小,并且用窗口滤波时选择应当适中,应该在包含所关心的频谱分量的前提下尽量窄些,这是因为如果滤波窗口过窄,会造成有用信号的丢失;反之,滤波窗口过宽,则会掺杂多余的噪声信号。

相位解包裹比较复杂而且容易出错。主要有两个难点:一是噪声点的自动识别,二是绕过噪声点进行去包裹。

系统的标定可分为显式标定和隐式标定两种。显式标定就是根据系统的物理模型,估计出系统中所有相关参数,并由这些参数直观地描述系统的表现性能;而隐式标定不需要标定出相关参数,只需要恢复系统的输入一输出关系数学描述即可。



像机与投影仪的位置关系直接影响着在频谱滤波过程中是选择+f0还是−f0 处的基频分量才能得到与物体实际凹凸一致的实验结果。

投影仪将栅线条纹图投射到参考平面和待测物体上,若是平行光投射的系统,则投射到参考面上的栅线条纹的节距都是相等的,但是一般的投影系统都不是平行光照射.在测量大面积的物体时采用发散光束照明,测量小的物体时就采用会聚光束,就算物体的大小适中,投射系统的照明也是人为地调整的,这样很容易就出现投影到参考面上的光栅条纹的节距不再相等,势必影响测量结果的不准确性。

光学成像误差主要来自于 CCD 摄像机,其影响系统测量精度的因素主要有 以下三个方面:

(1)非线性畸变误差 :CCD 本身产生;摄像机中的透镜产生;透镜组合;

(2)孔径误差 :严格来讲,光学成像原理只对近轴光线成立,所以当镜头光圈孔径较大时,会导致图像中出现渐晕现象,即图像中心较亮、四周较暗,这将对测量结果产生较大的影响。

(3)光电转换误差 :由于 CCD 摄像机的分辨率是有限的,CCD 器件对光学图像进行光电转换的过程,也是一个对模拟信号进行离散化的过程,对于高频信息有一定的损伤,从而导致误差的产生。

栅线条纹的光强经过傅里叶变换后在频谱中对应的是零频分量,因此增大背景光强,频谱图中基频成分的幅值和位置不变,只是零频分量的幅值随背景光强的增大而增大。

增大光栅条纹明暗度,频谱图中零频分量幅值不变,但基频分量的幅值增大,当增大到一定的值后,将会发生基频与零频混叠现象,这给基频分量的提取带来很大困难。出现这种现象的原因是被测物体表面反射系数过大时待测物体表面会出现亮斑,使采集得到的光栅图像条纹有局部中断,这样条纹的相位变化不能准确反映高度变化,这就直接影响到测量精度。



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