应用莫尔云纹法的三维物体面形测量.pdf

华中科技大学硕士学位论文应用莫尔云纹法的三维物体面形测量姓名：刘磊申请学位级别：硕士专业：工程力学指导教师：王乘2002.8.26华中科技大学硕士学位论文’应用莫尔云纹法的三维物体面形测量论文摘要究的应用数字莫尔云纹方法三维物体而形测量技术的主要内容是利用儿何光投影条纹的方法，结合数字图像处理和小波算法，实Y 现三维物体的面形的自动测量／／本课题的目的就是为了在传统的 ／云纹分析法中引入小波算法，以期对该项技术做进一步研究；同时也对传统的算法做了相应的具体化，以推动该技术的实用化作者分别利用解调载波云纹的傅利叶变换法和小波变换法，结合位相检测技术，建立一套可准确测量三维物体表面形状的自动化系统由于首次将小波理论引入该技术，所以在总结前人的成果和教训的基础上，采用模拟法测试系统的计算结果，并将小波算法的结果同傅利叶变换法的结果进行对比从光栅的生成，各物理参数的标定均由计算机完成，最大程度的减少了人为误差和系统误差，保证了算法精度实验表明，本课题提出的基于小波算法的测量系统使用方便，速度快，以达到较高的精度关键字：三维物形测量莫尔云纹傅利叶变换小波变换华中科技大学硕士学位论文3 - DS h a p eM e a s u r e m e n tb yM o i r eF r i n g eM e t h o dA B S T R A C TT h e3 - Ds h a p em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi san e wc o n t a c t l e s sm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yw h i c hi sw i d e l yu s e di nt h ef o u n d a t i o n a lr e s e a r c ha n di n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ．T h i st h e s i sm a i n l yr e s e a r c hi n3 - Dm e a s u r e m e n tb yd i g i t a lp h a s e —m e a s u r i n go fm o i r 6t o p o g r a p h y , w h i c hr e a l i z ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ta p p l i e db yd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n dw a v e l e tm e t h o d ．T h eo b j e c ti st oi n t r o d u c ew a v e l e tm e t h o dt ot r a d i t i o n a la n a l y s i sm e t h o dt of u r t h e rr e s e a r c h ，a n dt or e a l i z eo t h e rm e t h o d ．U s i n gF o u r i e r - t r a n sm e t h o da n dw a v e l e tm e t h o dt od e m o d u l a t em o i r 6t o p o g r a p h y , a na u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mi sd e v e l o p e d ．B a s i n gt h ef o r m e r s ’p r o d u c t i o na n dl e s s o n s ，a u t h o ru s es i m u l a c r u mt ov e r i f yt h er e s u l tc a l c u l a t e db yw a v e l e tm e t h o d ．S i n c et h es y s t e mc a na u t o m a t i c a l l ya c c o m p l i s hg r a t i n gg e n e r a t i o na n ds y s t e mp a r a m e t e rc a l i b r a t i o n ，a l ls o r t so fe r r o r sa r er e d u c e de f f i c i e n t l yK e y w o r d：3 - DS h a p eM e a s u r e m e n t ，M o i r 6F r i n g e ，F o u r i e r - t r a n s f o r m ，W a v e l e t - t r a n s f o r m。

华中科技大学硕士学位论文第一章绪论§1 ．1 三维面形测量技术概述- i 维物体面形测景技术存l ：程’典际和牍础研究叶，都仃广泛的需求和应用传统的测量技术多是应用实际的测量仪器进行接触式测量，测量效率低F ，人工依赖性强随着科技的发展，非接触的测量技术的出现给l = 程应用提供了更广阔的天地非接触三维物体面形测量技术可以直接或间接的用来测量物体表面轮廓，夫变形物体表面离面变形，位移．应变，应力等物理量这项技术具有姑接触，全场性，高精度，高灵敏度以及速度快的特点刈j 二元损检测，静态物形测量，仿形制造，质量控制，三维建模等基础研究和工业应用，该技术均有重要的应用价值，其和高速摄像技术与高速计算技术结合，还可以实时对诸如振动，热膨胀，冲击变形，爆炸等动态过程进行商速在像监测和实时控制典型的非接触三维物体面形测量技术应用是模具仿形制造在模具仿形制造时，通过对样品进行三维测量，建立样品的三维数字模型，对该数字模型进行所需的加工处理和细化修改，然后将数据送入三维数字化加l ：设钎，就可以迅速得到生产该样品或该产品配套广’品的模具另外，由于具有l l ：接触和可远程测量的特点，且无需人I ：干预．该技术在麻月ju 『．传统测量技术无法实现的场合时不受任何限制，能迅速完成测量任务。

三维物体面形测量技术还可以得到f = = ! l 标物体表面相对于另一基准曲面的变化量，该应用在产品表面质量测赣方面意义重大以标准产品表面或设计曲面作为基准曲面，通过检测实际牛产产品与基准曲面的表面三维高华中科技大学硕士学位论文影像莫尔法是一种较为容易实现的方法，其实现方式如图¨所示通过一个点光源将光栅投影到物体表而，被投影光栅和物体表面的光栅在观察方向发生几何干涉形成莫尔条纹由于投影到物体表面的光栅受到物体表面高度所调制；故莫尔条纹中包含物体表面的高度信息，这些条纹实际上代表着物体表面的等高线这种方法要求光栅考进被测量物体的表面并且覆盖测量目标显然，光栅的集合尺寸必须大于测量对象的集合尺寸，这～特性明娃的限制了该方法的应用范围尽管这种方法曾经被用来成功的测景一个} 乏达2 米的物体，但是该方法在工程测毓的典际应用中还是不可避免的受到⋯定的限制1 ．1 ．2 投影莫尔法图1 ．2 投影莫尔法参照面投影莫尔法则可测量相对较大的物体而不需要较大尺寸的光栅板或光栅胶片，其实现方式如图1 ．2 所示这种疗法是通过投影仪将一幅光栅投影到物体表面，另一幅参考光栅冒于成像平晴f ，摄像机所得的莫尔条纹就是受物面高度调制的光栅与参考光栅叠加的结果。

华中科技大学硕士学位论文基于这两种基本的方法，各种改进的莫尔物形测量方法不断产生R ．H ．K a t y lj 二1 9 7 2 年提出双伪漫射光栅( b i n a r yp s e u d or a n d o mg r a t i n g ) 物形测量，c ，+ 法』￡优点足川以更多的反映j l ；放峭条纹J 所掩盅的刎弘1 9 7 5 玑M ．D ．I b r a l l i m 通过改变光栅结构得到具有不对称灰度的条纹图而是区分物体的凸凹面成为可能1 9 8 0 年A ．L i v n a t 等人提出一种彩色双曝光莫尔方法在对测量目标作- , b 距离位移前后分别用白光和红光照射测量目标并摄像，所得到的条纹图中包含红色，白色和黑色三种条纹，三种条纹条纹的顺序反映出物面的法线方向出于盲区限制，在观察方向( 或摄影方向) 测量目标的不可见部分高度信息无法获取J ．P ．D u n c a n 与其同事研究了这问题J f ：找到m 《决，j ．法蛐I 图1 ．3所示，他们使柱形物体绕一中心轴匀速转动，同时使用一架特殊的摄像机通过一个狭缝对由影像莫尔法形成的莫尔条纹进行连续的摄影，摄像机罩的胶片移动于测量目标的转动是同步的。

这样，物体的整个杜形表面的三维形沈就包含在一张图片罩了光nn凉广- 1一乡＼＼＼图1 ．3 柱形物休面形测量‘ 华中科技大学硕士学位论文莫尔方法所产生的条纹，其间距变化范围反映了这种测量方法分辨率的大小，直接应用影像莫尔法或投影莫尔法可以产生间距从数厘米到0 ．1 毫米的莫尔条纹，甚至产生更高的分辨率也不困难1 9 8 1 年，D ．W ．R o b i n s o n 结合电子显微镜测量钻石钻头尖端时形成的莫尔条纹，其间距达到4 ．2 微米而R ．R i t t e r ，H ．J ．M e y e r 和J ．F u j u m o t o 等人在8 0 年代中期采用高速摄影技术用影像莫尔方法成功的实现高速振动物体变形过程测量这些研究成果不断的使莫尔技术得到丰富和发展，同时，莫尔技术的应用领域也得到大幅度的拓宽在国内，应用莫尔方法的三维物体面形测量技术的研究较国外晚，但近年来这项技术的研究和应用在国内也得到充分的发展短短一段时间，基于以上两种方法的各种延伸测量方法也层出不穷，这项技术得到了较大的发展§1 ．2 计算机技术和传统测量方法的结合传统的云纹法分析技术对系统的依赖忡比较高光学系统方面，由于传统的莫尔云纹是利用光学干涉的原理形成，全场应变或变形则是根据对照相机拍摄的图像进行的分析求得，因而测量系统的光学系统精度要求高。

所以需要有光照均匀的严格平行光源，质量良好的照相器材及底片，且光路尺寸精度限制严格，因而实际应用中依然比较困难条纹图像处理方面，多是细化条纹中心线，跟踪中心线，人工确定条纹级数，利用云纹是等位移迹线这一特点来求得云纹中心线处的变形场位移通过这种方法求得位移只有中心线处爿‘是准确的，而中心线之削的f c j = 移是通过插值的方法得到，求得中心线之间的位移的准确程度很大程度』：依赖1 ：插值算法，而且随着条纹间距的增大它的误差随之增大，严格的讲这种处理方法是不能得到准确的全场应变分和的实际应用中必须合理的选择参数以获得密度合适的孟纹图像来保证模华中科技大学硕士学位论文拟的可靠性因此，对于实际应用而言，需要发展新的方法来使该技术有实际的工程意义实际上，经过干涉的云纹图像的信息量是非常丰富的，它包含了任何一点的位移信息；而不是仅仅在云纹的中心线处才有信息产生上述情况的原因是由于处理方法的局限，而且大量的人．I ：干预造成求解精度的降低计算机技术的飞速发展促使了各种先进的硬件不断产生和计算机图像处理理论和技术的完善，使实现用莫尔方法进行三维物体面形测量的自动化和高速度，高精度成为可能采用新的算法和处理流程，使该技术能够适应工程实际的需要具有很大的意义。

计算机技术的应用是本课题采用的测量方法区别于传统主要人工测量的方法的重要特点之一数字图像处理是指将图像信号转换成数字格式并且利用计算机对其进行处理的过程数字图像处理是一门内容l + 分丰富，并且发展迅速的新兴学科在与数字图像处理技术结合的l 二维物体面形测量系统中，计算机予视觉采集系统的结合彻底改变了传统的条纹刚扶取方式，儿I ‘分之‘秒既可以摄取一幅图像。