光學(xué)輪廓術(shù)

前言

　　光學(xué)輪廓術(shù)是利用光學(xué)方法獲得物體表面輪廓數(shù)據(jù)的技術(shù)，即三維物體輪廓或面形測(cè)量技術(shù)。而三維面形數(shù)據(jù)信息的獲取方法以及信息處理方法一直是國(guó)內(nèi)外科研人員的主要研究課題之一。早期的三維測(cè)量方法主要是利用接觸式的探頭（如探針）來(lái)獲取物體表面的三維坐標(biāo)。隨著激光器的發(fā)明和應(yīng)用，人們采用激光探測(cè)頭來(lái)代替機(jī)械探頭，如Renishaw公司利用激光探測(cè)頭的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來(lái)測(cè)量汽車(chē)殼體。1989年日本系統(tǒng)與控制有限公司也研制了一套激光三角測(cè)量系統(tǒng)。盡管這些新研制的系統(tǒng)克服了機(jī)械探頭的某些缺點(diǎn)，但是卻未能完全擺脫其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測(cè)量范圍受到機(jī)械裝置大小限制，以及逐點(diǎn)測(cè)量使得測(cè)量速度慢等缺點(diǎn)?！　‰S著近代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的光學(xué)機(jī)械測(cè)量方法已日益不適應(yīng)近代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)提出的高精度、高效率與自動(dòng)化的測(cè)量要求，人們開(kāi)始尋找新的方法。20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、新型光源和顯示技術(shù)、數(shù)字投影技術(shù)等的發(fā)展，采用光學(xué)方法測(cè)量物體輪廓的幾何尺寸和形狀變得越來(lái)越容易。由于非相干光學(xué)輪廓測(cè)量方法非接觸、無(wú)損、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量，且其測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)單，對(duì)測(cè)量對(duì)象和環(huán)境要求較低，因而可廣泛用于在線檢測(cè)、質(zhì)量控制、反求工程、CAD／CAM、機(jī)器視覺(jué)、醫(yī)學(xué)診斷、體積面積測(cè)量、缺陷分析等需要物體的二至三維信息的眾多領(lǐng)域。尤其是在測(cè)量物體的三維輪廓方面更顯示出其優(yōu)越性，因而引起了不同應(yīng)用領(lǐng)域、不同專業(yè)、不同研究方向?qū)＜覍W(xué)者們的關(guān)注?！　”緯?shū)中的光學(xué)輪廓測(cè)量方法主要是指通過(guò)光學(xué)非相干方法實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，即測(cè)量中利用光的強(qiáng)度信息進(jìn)行編碼，都是在圖像采集的基礎(chǔ)上進(jìn)行解碼計(jì)算的，強(qiáng)度信息可能是灰度條紋圖，也可能是復(fù)雜圖案，還可能是彩色條紋圖，書(shū)中所涉及的相位也僅僅是幾何意義上的相位。光學(xué)輪廓術(shù)是一類不斷發(fā)展的技術(shù)，既傳統(tǒng)又現(xiàn)代，新思想、新方法、新技術(shù)、新應(yīng)用層出不窮，發(fā)展前景良好。同時(shí)它又是一類涉及光學(xué)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械、電子信息、自動(dòng)控制等眾多學(xué)科的綜合性技術(shù)。

內(nèi)容概要

　　《光學(xué)輪廓術(shù)》是一本關(guān)于非相干光學(xué)輪廓術(shù)的技術(shù)性專題著作，比較全面系統(tǒng)地介紹了二至三維非相干光學(xué)輪廓測(cè)量技術(shù)的基本原理及主要應(yīng)用。全書(shū)共分9章，第1章主要介紹了光學(xué)輪廓測(cè)量技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及光學(xué)輪廓測(cè)量系統(tǒng)的基本組成，第2章討論了二維及二維半光學(xué)輪廓測(cè)量技術(shù)，第3章～第9章討論了目前該領(lǐng)域最主要的幾種三維光學(xué)輪廓測(cè)量技術(shù)?！　　豆鈱W(xué)輪廓術(shù)》大部分內(nèi)容為作者多年來(lái)的研究成果，部分內(nèi)容采納了本領(lǐng)域同行的最新研究成果，基本反映了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的最新研究水平。《光學(xué)輪廓術(shù)》可作為測(cè)控技術(shù)與儀器等相關(guān)專業(yè)本科生及研究生的教材，亦可供有關(guān)科技人員參考。

作者簡(jiǎn)介

　　張舜德，1965年2月生，甘肅秦安人，博士（后），副教授?，F(xiàn)為寧波大紅鷹學(xué)院副院長(zhǎng)，中國(guó)圖形圖像學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員，寧波市4321人才工程第一層次培養(yǎng)人選，浙江省高職高專計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造專業(yè)帶頭人。曾先后主持或參與十余項(xiàng)國(guó)家級(jí)或省部級(jí)科研項(xiàng)目，在國(guó)內(nèi)外科技期刊發(fā)表論文四十余篇，申請(qǐng)授權(quán)專利十余項(xiàng)。曾獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)、省科技進(jìn)步獎(jiǎng)等獎(jiǎng)項(xiàng)。主要研究方向，先進(jìn)制造技術(shù)、光學(xué)測(cè)量、逆向工程、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論11.1 概述11.2 光學(xué)輪廓術(shù)回顧21.3 非相干光學(xué)輪廓測(cè)量系統(tǒng)的組成81.3.1 光源和光學(xué)投影系統(tǒng)101.3.2 圖像采集系統(tǒng)121.3.3 機(jī)械、電控系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)15第2章 二維及二維半光學(xué)輪廓測(cè)量技術(shù)272.1 概述272.2 二維輪廓測(cè)量技術(shù)282.2.1 圖像預(yù)處理算法282.2.2 圖像邊緣檢測(cè)與提取算法322.2.3 標(biāo)定算法332.2.4 輪廓曲線擬合算法382.2.5 誤差分析422.3 二維半層去圖像法測(cè)量技術(shù)432.3.1 層去圖像法測(cè)量系統(tǒng)的工作原理442.3.2 層去圖像法測(cè)量系統(tǒng)的技術(shù)要求452.3.3 層去圖像法測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)462.3.4 層去圖像法測(cè)量精度的影響因素55第3章 三維空間域圖像測(cè)量技術(shù)593.1 概述593.2 立體視差攝影測(cè)量法的原理603.2.1 立體視差測(cè)量系統(tǒng)603.2.2 改進(jìn)的直接線性變換算法633.2.3 實(shí)用的自動(dòng)立體攝影測(cè)量算法673.2.4 同名點(diǎn)坐標(biāo)的自動(dòng)求取方法683.3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)713.4 系統(tǒng)參數(shù)和精度分析83第4章 光切法三維輪廓測(cè)量技術(shù)934.1 概述934.2 點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測(cè)量原理944.3 光切法三維測(cè)量原理964.3.1 光切法基本測(cè)量原理964.3.2 光切360。三維輪廓測(cè)量原理984.3.3 測(cè)量精度及編碼失效現(xiàn)象984.3.4 雙三角并聯(lián)的光切法三維輪廓測(cè)量原理994.3.5 光切法三維測(cè)量系統(tǒng)的基本組成1024.4 光學(xué)編碼與信息提取1034.4.1 高斯光束柱面反射展成法生成線結(jié)構(gòu)光1034.4.2 編碼信息提取1074.5 測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定1084.6 激光線掃描三維形面測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1114.6.1 機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1124.6.2 基本測(cè)量方式及數(shù)據(jù)合成1124.6.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1144.6.4 載物臺(tái)回轉(zhuǎn)中心的確定1174.7 多視測(cè)量與數(shù)據(jù)拼接1214.7.1 “三點(diǎn)法”測(cè)量與數(shù)據(jù)拼接的原理1214.7.2 “三點(diǎn)法”測(cè)量數(shù)據(jù)拼接應(yīng)用實(shí)例1244.8 影響測(cè)量性能的主要因素1254.9 光切法三維輪廓測(cè)量1274.9.1 測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)介1274.9.2 測(cè)量實(shí)例127第5章 單頻光柵編碼的三維輪廓測(cè)量技術(shù)1305.1 概述1305.2 強(qiáng)度調(diào)制傅里葉變換相位測(cè)量1305.2.1 相位與高度的關(guān)系1325.2.2 離散傅里葉變換1335.2.3 變形虛擬光柵圖的離散傅里葉變換1345.3 強(qiáng)度調(diào)制變形光柵圖像的分析1355.3.1 頻譜混疊和泄漏對(duì)解調(diào)的影響1355.3.2 背景光和反射率對(duì)頻譜的影響1365.3.3 待測(cè)物體高度分布對(duì)頻譜的影響1365.4 單頻率強(qiáng)度調(diào)制的相位解調(diào)1375.4.1 相位解調(diào)1375.4.2 相位解調(diào)精度分析1385.5 單頻光柵編碼的應(yīng)用實(shí)例139第6章 變頻光柵編碼的三維輪廓測(cè)量技術(shù)1436.1 概述1436.2 雙頻光柵測(cè)量方法1436.2.1 雙頻光柵編碼技術(shù)的原理1436.2.2 虛擬復(fù)合光柵測(cè)量的原理及實(shí)驗(yàn)1456.3 變頻光柵測(cè)量方法1476.3.1 變頻光柵編碼技術(shù)的原理1476.3.2 測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定1486.3.3 變頻光柵編碼技術(shù)1506.4 AT0s光學(xué)掃描儀的工作原理與系統(tǒng)標(biāo)定1526.4.1 ATOS測(cè)量系統(tǒng)的工作原理1526.4.2 ATOS掃描頭的標(biāo)定方法1536.4.3 掃描測(cè)量實(shí)例156第7章 正弦結(jié)構(gòu)光編碼的三維輪廓測(cè)量技術(shù)1587.1 概述1587.1.1 空間條紋掃描相位檢測(cè)1587.1.2 相移技術(shù)1597.2 正弦結(jié)構(gòu)光編碼的莫爾條紋圖的形成與分析1607.2.1 莫爾條紋圖的形成1607.2.2 莫爾條紋圖的參數(shù)1647.2.3 莫爾條紋輪廓1667.2.4 莫爾條紋的傅里葉分析方法1677.3 正弦結(jié)構(gòu)光測(cè)量物體三維輪廓的莫爾法1737.3.1 陰影莫爾法1747.3.2 相移陰影莫爾法1787.3.3 投影莫爾法1837.4 基于正弦結(jié)構(gòu)光編碼的相移三維物體面形測(cè)量技術(shù)1857.4.1 概述1857.4.2 基本原理1867.4.3 光學(xué)結(jié)構(gòu)分析1877.4.4 正弦光場(chǎng)的產(chǎn)生190……第8章 線性結(jié)構(gòu)光編碼的三維輪廓測(cè)量技術(shù)194第9章 彩色光柵編碼的三維輪廓測(cè)量技術(shù)／240參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　傳統(tǒng)的二維圖像檢測(cè)方法已被廣泛應(yīng)用在工業(yè)中，但在諸如工業(yè)產(chǎn)品加工和檢測(cè)、國(guó)防、航天以及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，都迫切需要一種三維輪廓檢測(cè)方法。一般將光學(xué)三維測(cè)量技術(shù)分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩大類，兩者的區(qū)別在于是否引入專門(mén)的光源進(jìn)行照明。前者不需要專門(mén)的光源，而且對(duì)成像設(shè)備要求也不高，但是對(duì)沒(méi)有明顯特征的圖像（如無(wú)明顯的邊緣、角點(diǎn)等），計(jì)算量很大，匹配的準(zhǔn)確度也難以保證。后者通過(guò)引入預(yù)定的光源，大大提高了成像的精度、準(zhǔn)確度、速度和可靠性等，從而使得實(shí)用的三維光學(xué)測(cè)量成為可能?！　「鶕?jù)主動(dòng)式測(cè)量掃描方式的不同，結(jié)構(gòu)光法可分為光點(diǎn)式、光條式（或光刀）和結(jié)構(gòu)光式3種。光點(diǎn)式掃描只投射一個(gè)激光點(diǎn)到目標(biāo)表面，根據(jù)散射回的光線，利用簡(jiǎn)單的三角形原理算出被測(cè)點(diǎn)的位置。此方法工作原理簡(jiǎn)單，但是要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，速度很慢。光條式是一次將一片光束投射到目標(biāo)表面，也叫光切法，每次可完成目標(biāo)表面一個(gè)剖面的測(cè)量，提高了掃描速度。結(jié)構(gòu)光方法則進(jìn)一步提高了測(cè)量速度，可直接將一組周期性的結(jié)構(gòu)光投射到目標(biāo)物體上進(jìn)行編碼。早期的結(jié)構(gòu)光掃描由多個(gè)片狀光束構(gòu)成，也稱多光柵測(cè)量法，其原理和計(jì)算方法都類似于光條式。其最大的問(wèn)題在于目標(biāo)表面的不規(guī)則性導(dǎo)致光條形狀發(fā)生變化，多個(gè)光條交織在一起，從而難以標(biāo)定圖像中的具體光條，其實(shí)質(zhì)是圖像上的點(diǎn)難以匹配到相應(yīng)的投射光面上。目前，國(guó)內(nèi)外已有多種方法進(jìn)行匹配，其基本原理是利用投射器投射一個(gè)或連續(xù)多個(gè)結(jié)構(gòu)光到目標(biāo)，用接收器（照相機(jī)）采集它們的圖像。由于投射的結(jié)構(gòu)光含有特定的編碼策略或信息，因而目標(biāo)圖像上每一點(diǎn)都有相應(yīng)的編碼值，對(duì)采集到的圖像進(jìn)行解碼后可得到各點(diǎn)編碼值，就能夠確定該點(diǎn)在被測(cè)物體上的唯一的三維位置。

圖書(shū)封面

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