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1、光学传感三维面形测量非接触三维自动测量是随着计算机技术的发展而开展起来的新技术研究,它包括三维形体测量、应力形变分析和折射率梯度测量等方面。应川到的技术有莫尔条纹、散斑干涉、全息干涉和光阑投影等光学技术和计算机条纹图像处理技术。条纹投影以及各种光阑投影fi动测量技术在工业生产控制与检测、医学诊断和机器人视觉等领域正占有越来越重要的地位。木实验是利用投影式相移技术，对形成的被测物而条纹进行计算机相移法自动处理的综合性实验。【实验目的】通过本实验了解投影光栅相位法的基本原理；了解一种充分发挥计算机特长的条纹投影相位移处理技术。对于非接触测量
2、有一定的感性认识。【基本原理】投影光栅相位法是三维轮廓测量中的热点之一，其测量原理是光栅图样投射到被测物体表而，相位和振幅受到物而商度的调制使光栅像发生变形，通过解调可以得到包含岛度信息的相位变化，最后根据三角法原理完成相位---高度的转换。根据相位检测方法的不同，主要有Moire轮廓术、Fourier变换轮廓术，相位测量轮廓术，本实验就是采用了相位测量轮廓术。相位测量轮廓术采用正弦光栅投影相移技术。基本原理是利用条纹投影相移技术将投影到物体上的正弦光栅依次移动一定的相位，巾采集到的移相变形条纹阁计算得到包含物体岛度信息的相位。基于相位
3、测量的光学三维测量技术本质上仍然是光学三角法，但与光学三角法的轮廓术有所不同，它不直接去寻找和判断由于物体高度变动后的像点，而是通过相位测量间接地实现，巾于相位信息的参与，使得这类方法与单纯基于光学三角法有很大区别。1.1相位测量轮廓术的基本原理将规则光栅图像投射到被测物表面，从另一角度可以观察到由于受物体高度的影响而引起的条纹变形。这种变形可解释力相位和振幅均被调制的空间载波信号。釆集变形条纹井对其进行解调，从中恢复出与被测物表面高度变化有关的相位信息，然后巾相位与高度的关系确定出高度，这就是相位测量轮廓术的基本原理。投影系统将一正弦
4、分布的光场投影到被测物体表面，由于受到物面高度分布的调制，条纹发生形变。由CCD摄像机获取的变形条纹可表示为：(x，)，)=y)+B(x,y)cos[0)(x，y)+(n=0,1，…，N-l)(1)-其中n表示第n帧条纹图。In（X,y）,A（x,y）和B（x,y）分别为摄像机接收到的光强值、物而背景光强和条纹对比度。氏附加的相移值，如采用多步相移法采集变形条纹图,则每次相移量Sn。所求被测物面上的相位分布可表示为：/V-ln=0TTa^；?I(x,y)cos(2^/yV)n=0川相位展开算法可得物上的连续相位分布o（x，＞，）。已知0
5、）,.（x，y）为参考平囬上的连续相位分布，由于物体引起的相位变化为(%，)’)=)’)-o>ru，)’)⑶根据所选的系统模型和系统结构参数可推导出高度h和相位差的关系，最终得到物体的高度值。下面具体分析高度和相位差之间的关系：实际照明系统屮，采用远心光路和发散照明两种情况下，都可以通过对相位的测:W:而计算出被测物体的高度。只是前者的相位差与高度之间存在简甲.的线性关系，而在后一种情况下相位差与高度差之间的映射关系是非线性的。本实验的照明系统为远心光路。如图1所示，在参考平面上的投影正弦条纹是等周期分布的，其周期为A,这时在参考平面上
6、的相位分布(x,y)是坐标x的线性蚋数，记为：(
7、)(x,y)=Kx=27rx//?()⑷以参考平面上0点为原点，CCD探测器上•点对应参考平面上C点，其相位为(Wx，y)=(27i/p0)OC,A点与被测三维表面D点在CCD上的位置相同，同时其相位等于参考平衙上A点的相位。有S然AC=(/?o/27l)())CD⑸AT则D点相对于参考平面的高度h为1飞=「，当观察方向垂直于参考平面时，上式可tge+tge表示为：ACh=一-7=(Po/tg0)(0cd/27C)(6)根据式(6)就可以求出物体上各点的高度值。1.2相位的求取过程如前所
8、述，求得物体加入测量场前后的展开相位差就可以获得物体的高度，因此相位的求取过程是整个测呈过程中重要的一环。而条纹图屮的相位信息可以通过解调的方法恢出来，常用的方法主要有傅立叶变换法和多步相移法。用傅立叶变换或多步相移求相位吋，由于反正切函数的截断作用，使得求出的相位分布在-和之间，不能真实的反映出物体表而的空间相位分布，冈此相位的求取过程可分为两大步:求取截断相位和截断相位展开。(1)求取截断相位从条纹图中恢s出的相位信息由于它们恢a出的相位要经过反正切运算，使得求出的相位只能分布在-K和71的叫象限内，这种相位称为截断相位(P。与之相
9、对应的真实相位称为展开续相位分布，由于物体引起的相位变化为(%，)’)=)’)-o>ru，)’)⑶根据所选的系统模型和系统结构参数可推导出高度h和相位差的关系，最终得到物体的高度值。下面具体分析高度和相位差
