光學輪廓術

前言

　　光學輪廓術是利用光學方法獲得物體表面輪廓數據的技術，即三維物體輪廓或面形測量技術。而三維面形數據信息的獲取方法以及信息處理方法一直是國內外科研人員的主要研究課題之一。早期的三維測量方法主要是利用接觸式的探頭（如探針）來獲取物體表面的三維坐標。隨著激光器的發(fā)明和應用，人們采用激光探測頭來代替機械探頭，如Renishaw公司利用激光探測頭的三坐標測量機來測量汽車殼體。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量系統(tǒng)。盡管這些新研制的系統(tǒng)克服了機械探頭的某些缺點，但是卻未能完全擺脫其機械結構復雜，測量范圍受到機械裝置大小限制，以及逐點測量使得測量速度慢等缺點?！　‰S著近代科學技術和工業(yè)技術的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的光學機械測量方法已日益不適應近代工業(yè)和科學技術提出的高精度、高效率與自動化的測量要求，人們開始尋找新的方法。20世紀70年代以來，隨著計算機技術、新型光源和顯示技術、數字投影技術等的發(fā)展，采用光學方法測量物體輪廓的幾何尺寸和形狀變得越來越容易。由于非相干光學輪廓測量方法非接觸、無損、易于實現自動測量，且其測量系統(tǒng)簡單，對測量對象和環(huán)境要求較低，因而可廣泛用于在線檢測、質量控制、反求工程、CAD／CAM、機器視覺、醫(yī)學診斷、體積面積測量、缺陷分析等需要物體的二至三維信息的眾多領域。尤其是在測量物體的三維輪廓方面更顯示出其優(yōu)越性，因而引起了不同應用領域、不同專業(yè)、不同研究方向專家學者們的關注?！　”緯械墓鈱W輪廓測量方法主要是指通過光學非相干方法實現的技術，即測量中利用光的強度信息進行編碼，都是在圖像采集的基礎上進行解碼計算的，強度信息可能是灰度條紋圖，也可能是復雜圖案，還可能是彩色條紋圖，書中所涉及的相位也僅僅是幾何意義上的相位。光學輪廓術是一類不斷發(fā)展的技術，既傳統(tǒng)又現代，新思想、新方法、新技術、新應用層出不窮，發(fā)展前景良好。同時它又是一類涉及光學、計算機、機械、電子信息、自動控制等眾多學科的綜合性技術。

內容概要

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

作者簡介

　　張舜德，1965年2月生，甘肅秦安人，博士（后），副教授。現為寧波大紅鷹學院副院長，中國圖形圖像學學會會員，寧波市4321人才工程第一層次培養(yǎng)人選，浙江省高職高專計算機輔助設計與制造專業(yè)帶頭人。曾先后主持或參與十余項國家級或省部級科研項目，在國內外科技期刊發(fā)表論文四十余篇，申請授權專利十余項。曾獲國家科技進步獎、省科技進步獎等獎項。主要研究方向，先進制造技術、光學測量、逆向工程、計算機圖形學等。

書籍目錄

第1章 緒論11.1 概述11.2 光學輪廓術回顧21.3 非相干光學輪廓測量系統(tǒng)的組成81.3.1 光源和光學投影系統(tǒng)101.3.2 圖像采集系統(tǒng)121.3.3 機械、電控系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)15第2章 二維及二維半光學輪廓測量技術272.1 概述272.2 二維輪廓測量技術282.2.1 圖像預處理算法282.2.2 圖像邊緣檢測與提取算法322.2.3 標定算法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量技術432.3.1 層去圖像法測量系統(tǒng)的工作原理442.3.2 層去圖像法測量系統(tǒng)的技術要求452.3.3 層去圖像法測量系統(tǒng)的關鍵實現技術462.3.4 層去圖像法測量精度的影響因素55第3章 三維空間域圖像測量技術593.1 概述593.2 立體視差攝影測量法的原理603.2.1 立體視差測量系統(tǒng)603.2.2 改進的直接線性變換算法633.2.3 實用的自動立體攝影測量算法673.2.4 同名點坐標的自動求取方法683.3 實驗測量系統(tǒng)713.4 系統(tǒng)參數和精度分析83第4章 光切法三維輪廓測量技術934.1 概述934.2 點結構光測量原理944.3 光切法三維測量原理964.3.1 光切法基本測量原理964.3.2 光切360。三維輪廓測量原理984.3.3 測量精度及編碼失效現象984.3.4 雙三角并聯的光切法三維輪廓測量原理994.3.5 光切法三維測量系統(tǒng)的基本組成1024.4 光學編碼與信息提取1034.4.1 高斯光束柱面反射展成法生成線結構光1034.4.2 編碼信息提取1074.5 測量系統(tǒng)的標定1084.6 激光線掃描三維形面測量系統(tǒng)的設計1114.6.1 機械系統(tǒng)的結構1124.6.2 基本測量方式及數據合成1124.6.3 系統(tǒng)設計1144.6.4 載物臺回轉中心的確定1174.7 多視測量與數據拼接1214.7.1 “三點法”測量與數據拼接的原理1214.7.2 “三點法”測量數據拼接應用實例1244.8 影響測量性能的主要因素1254.9 光切法三維輪廓測量1274.9.1 測量系統(tǒng)簡介1274.9.2 測量實例127第5章 單頻光柵編碼的三維輪廓測量技術1305.1 概述1305.2 強度調制傅里葉變換相位測量1305.2.1 相位與高度的關系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 強度調制變形光柵圖像的分析1355.3.1 頻譜混疊和泄漏對解調的影響1355.3.2 背景光和反射率對頻譜的影響1365.3.3 待測物體高度分布對頻譜的影響1365.4 單頻率強度調制的相位解調1375.4.1 相位解調1375.4.2 相位解調精度分析1385.5 單頻光柵編碼的應用實例139第6章 變頻光柵編碼的三維輪廓測量技術1436.1 概述1436.2 雙頻光柵測量方法1436.2.1 雙頻光柵編碼技術的原理1436.2.2 虛擬復合光柵測量的原理及實驗1456.3 變頻光柵測量方法1476.3.1 變頻光柵編碼技術的原理1476.3.2 測量系統(tǒng)的標定1486.3.3 變頻光柵編碼技術1506.4 AT0s光學掃描儀的工作原理與系統(tǒng)標定1526.4.1 ATOS測量系統(tǒng)的工作原理1526.4.2 ATOS掃描頭的標定方法1536.4.3 掃描測量實例156第7章 正弦結構光編碼的三維輪廓測量技術1587.1 概述1587.1.1 空間條紋掃描相位檢測1587.1.2 相移技術1597.2 正弦結構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 正弦結構光測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 基于正弦結構光編碼的相移三維物體面形測量技術1857.4.1 概述1857.4.2 基本原理1867.4.3 光學結構分析1877.4.4 正弦光場的產生190……第8章 線性結構光編碼的三維輪廓測量技術194第9章 彩色光柵編碼的三維輪廓測量技術／240參考文獻

章節(jié)摘錄

　　傳統(tǒng)的二維圖像檢測方法已被廣泛應用在工業(yè)中，但在諸如工業(yè)產品加工和檢測、國防、航天以及醫(yī)學等領域，都迫切需要一種三維輪廓檢測方法。一般將光學三維測量技術分為被動式和主動式兩大類，兩者的區(qū)別在于是否引入專門的光源進行照明。前者不需要專門的光源，而且對成像設備要求也不高，但是對沒有明顯特征的圖像（如無明顯的邊緣、角點等），計算量很大，匹配的準確度也難以保證。后者通過引入預定的光源，大大提高了成像的精度、準確度、速度和可靠性等，從而使得實用的三維光學測量成為可能?！　「鶕鲃邮綔y量掃描方式的不同，結構光法可分為光點式、光條式（或光刀）和結構光式3種。光點式掃描只投射一個激光點到目標表面，根據散射回的光線，利用簡單的三角形原理算出被測點的位置。此方法工作原理簡單，但是要對目標進行逐點掃描，速度很慢。光條式是一次將一片光束投射到目標表面，也叫光切法，每次可完成目標表面一個剖面的測量，提高了掃描速度。結構光方法則進一步提高了測量速度，可直接將一組周期性的結構光投射到目標物體上進行編碼。早期的結構光掃描由多個片狀光束構成，也稱多光柵測量法，其原理和計算方法都類似于光條式。其最大的問題在于目標表面的不規(guī)則性導致光條形狀發(fā)生變化，多個光條交織在一起，從而難以標定圖像中的具體光條，其實質是圖像上的點難以匹配到相應的投射光面上。目前，國內外已有多種方法進行匹配，其基本原理是利用投射器投射一個或連續(xù)多個結構光到目標，用接收器（照相機）采集它們的圖像。由于投射的結構光含有特定的編碼策略或信息，因而目標圖像上每一點都有相應的編碼值，對采集到的圖像進行解碼后可得到各點編碼值，就能夠確定該點在被測物體上的唯一的三維位置。

圖書封面

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