高动态范围光亮表面的结构光三维形貌测量方法研究与实现
光学测量技术在微结构表面形貌分析中的应用研究
光学测量技术在微结构表面形貌分析中的应用研究一、前言微结构表面形貌分析一直是一个重要的领域，该领域与工业、生产等行业息息相关。
在微结构表面形貌分析中，光学测量技术是一种重要的手段。
光学测量技术借助光线的传播、反射、折射等特性，通过对光线的测量，可以准确地获取微结构表面形貌数据，并进行可视化处理。
本文将讨论光学测量技术在微结构表面形貌分析中的应用，包括测量原理、实验设计及实验结果分析。
二、光学测量技术原理及分类光学测量技术是利用光的物理特性进行测量的技术方法，可以测量出物体的尺寸、形状等参数。
光学测量技术主要分为接触式和非接触式两种。
1. 接触式测量法接触式测量法是通过物理接触来测量物体的尺寸和形状。
接触式测量法主要应用于微小尺寸测量，例如测量微观构造中涂层的厚度和涂层形状等。
接触式光学测量法包括表面粗糙度测量、形貌测量和轮廓测量等。
2. 非接触式测量法非接触式测量法是不通过物理接触来测量物体的尺寸和形状，可以对大尺寸、复杂形状、高要求的物体进行测量和表征。
非接触式光学测量法主要包括像散技术、白光干涉技术、相移技术、激光干涉技术等。
三、光学测量技术在微结构表面形貌分析中的应用光学测量技术在微结构表面形貌分析中已经得到了广泛应用。
下面将分别就像散技术、白光干涉技术、相移技术、激光干涉技术等几种常见的非接触式光学测量技术，介绍其在微结构表面形貌分析中的应用情况。
1. 像散技术像散技术是通过在正交方向上旋转一个微透镜的意大利式显微镜，然后测量被测试物在不同方向上的消失对比。
这种技术可以在大范围内进行测量，具有量测简便、测量范围大、适应性好的优点。
目前，像散技术主要应用于晶格结构、粗糙表面的研究。
2. 白光干涉技术白光干涉技术利用光源发出的白色光经过衍射和反射的过程产生干涉光条纹。
通过分析干涉光条纹，可以获取测试物的形状信息。
白光干涉技术比起单色光干涉技术具有测量范围宽、对表面粗糙度的要求低等优点。
3. 相移技术相移技术是一种通过调整干涉光束间的相位差来实现形貌测量的技术。
浅谈光学三维测量技术
浅谈光学三维测量技术光学三维测量属于非接触式光学面形测量方法，能快速准确测量出物体的表面形状，被广泛地应用在机械、电影等领域。
文章概述了光学三维测量技术的分类，介绍了几种常见的光学测量技术及其在各个领域的应用。
标签：光学三维测量；三维激光扫描；面结构光光学三维测量是指运用光学方法获取物体表面的三维立体坐标的技术。
光学三维测量利用现代光学技术成就，结合光电子学、计算机图像处理等学科成就发展起来的一种先进测量技术。
1 光学三维测量的分类图1 光学三维测量技术分类图光学三维测量技术按测量原理可以分为摄影测量方法、结构光技术和光学干涉方法。
摄影测量法是基于多视角的非主动式测量方法。
在普通照明（阳光、日光灯）情况下，由摄像头获取多视角物体图像，利用计算机查找多幅图像的同态标记点，进而获得物体的表面形貌。
结构光技术通过不同宽度且明暗相间的结构光照射被测物体表面，获取到的经物体调制的图像，再经过计算获取物体的立体形貌信息。
光学干涉法是利用干涉原理进行测量，具有高精度、高分辨率等优点。
以下介绍几种常见的光学三维测量方法。
图2 三维激光扫描工作原理图三维激光扫描技术根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，光电探测器接收反射光，通过对采集到数据进行计算得到物体的深度信息。
三维激光扫描仪包括发射器和接收器。
发射器射出一束脉冲激光，激光经过物体表面漫反射，沿相同路线射入接收器。
由脉冲激光发射到反射被接收的时间tL可计算出扫描点到扫描仪的距离值S。
扫描仪内精密测量系统获取每个激光脉冲的水平方向角α和垂直方向角度β。
依据上述数据计算出扫描点的三维空间坐标（XP、YP、ZP）[1]。
双目视觉技术属于摄影测量方法，是通过视差原理被动测量三维数据的技术。
双目视觉技术测量物体三维形貌的原理是，从两个或以上的视角去观察一个物体，获得多张不同视角下物体的二维图片，根据三角测量原理得出同一个像素点的坐标偏差，以此获得测量物体的三维形态。
相移条纹投影三维形貌测量技术综述
相移条纹投影三维形貌测量技术综述毛翠丽;卢荣胜;董敬涛;张育中【摘要】结构光三维形貌测量系统目前得到了越来越广泛的应用和研究,相移条纹投影三维形貌精密测量技术是其重要的发展方向.对结构光相移条纹投影三维形貌测量系统的应用发展、工作过程、不同系统构成方式、相移条纹的各种形式及特点、相位误差校正方法、不同相位解包裹算法及其优缺点和适用场合、测量系统数学模型的实现方法及其相应的优缺点、高动态范围测量技术等进行了详细的分析.对相移条纹投影系统的工作流程、实现方法、关键技术的发展及其存在问题等进行了比较全面的梳理,为三维形貌精密测量技术进一步满足先进制造中更高精度的要求指出了后续的研究方向.【期刊名称】《计量学报》【年(卷),期】2018(039)005【总页数】13页(P628-640)【关键词】计量学;三维形貌测量;相移轮廓术;相移条纹;相位解包裹;误差修正【作者】毛翠丽;卢荣胜;董敬涛;张育中【作者单位】合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009;南阳理工学院机械与汽车工程学院,河南南阳473004;合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009;合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TB92;TP391.41 引言光学三维形貌测量技术在工业三维测量、文物保护、逆向工程、质量控制、医疗诊断等众多领域中具有广泛的应用，随着计算机技术、投影技术、激光技术、数字图像获取设备等的快速发展，多种光学三维测量技术已经进入商业应用阶段，同时各种新的三维测量方法还在不断涌现。
光学三维测量方法是通过运用适当的光学和电子仪器非接触地获取被测物体形貌的方法和技术[1～2],主要分为被动三维测量和主动三维测量方法。
被动三维测量技术无需辅助的结构光照明设备，直接从多视角二维图像序列中提取物体的三维信息。
光学三维测量技术
1 概述
物体三维形状测量
接触式测量
物体三维接触式测量得典型 代表就是三坐标测量机 (CMM,Coordinate Measuring Machine)。
非接触式测量
非接触式三维测量不需要与待测 物体接触,可以远距离非破坏性地 对待测物体进行测量。
23-04
1 概述
1:
图
三 坐 标 测 量 机
23-18
3 应用
3、医学图像三维表面重建:
现代医疗诊断常常需要借助一些辅助设备为诊 断提供可靠得、完整得信息,因此,人体组织与器官 得三维成像技术在现代临床医学中起着越来越重 要得作用、
医生可以将重构出得器官图像进行旋转缩放等 操作,使医生能够更充分地了解病情得性质及其周 围组织得三维结构关系,从而帮助医生做出准确得 诊断与制定正确得手术方案。
这种测量方法测量精度高,但测量范围受到光波 波长得限制,只能测量围观表面得形貌与微小位移,不适 于宏观物体得检测。
23-10
2 测量原理
3、三角测量法: 光学三角法就是最常用得一种光学三维测量技术,
以传统得三角测量为基础,通过待测点相对于光学基准 线偏移产生得角度变化计算该点得深度信息。根据具 体照明方式得不同,光学三角法可分为两大类:被动三角 法与基于结构光得主动三角法。
23-05
1 概述
物体三维形状测量
接触式测量 优势
灵活性强 精度高且可靠 测量方便
非接触式测量 微波技术
三角法
非接触式测量Байду номын сангаас
光波技术
干涉法
超声波技术 飞行时间法
23-06
1 概述
非接触式测量
微波技术
适合于大尺度三维测 量，爱里斑半径较大， 角度分辨率低。
面结构光三维系统相位测量精度研究
摘要随着光学三维传感技术的广泛应用，其精度要求也日益变得苛刻。
面结构光三维测量技术以其高速、高精度、非接触等优点备受关注，它是一种主动的非相干光学三维传感技术。
面结构光三维测量技术是通过向物体投射面结构光，然后获取被待测物体表面三维面形调制后的图像，解调出待测物体的相位信息，最后通过相位与高度关系可以得到物体表面的三维形貌数据。
相位测量的精度直接影响物体重建面形的测量精度，因此相位精度问题是面结构光三维测量中的关键问题之一，是研究热点与难点。
本文主要围绕相位测量轮廓术与相位测量偏折术的高精度测量展开研究。
论文的主要研究内容包括：1.面结构光三维测量系统相位精度影响因素分析；阐述了相位测量轮廓术与相位测量偏折术这两种测量技术的基本原理、相位解调算法、相位展开算法以及高度重建算法等，分析了面结构光三维测量相位测量精度的影响因素，主要包括：相位解调算法与相位展开算法等导致的噪声问题、系统的随机噪声、由于相位测量轮廓术系统中其他点的镜面分量引起的多次反射问题、系统非线性Gamma效应引起的相位非线性误差等。
这些因素将导致相位测量不准确，降低测量精度。
2.面结构光三维测量中多次反射消除方法的研究分析；研究分析了相位测量轮廓术中存在的多次反射问题。
首先分析了相位测量轮廓术中多次反射问题存在的原因与影响，采用基于高频编码正弦条纹的方法，将相位误差降低了1.3倍，减小了相位测量轮廓术测量系统中多次反射对相位的影响，提高了相位测量精度。
3.面结构光三维测量中非线性误差的消除；本文着重阐述了系统非线性Gamma效应对相位测量精度的影响，并分析比较了相位测量轮廓术与相位测量偏折术中非线性的差异。
分析了预先畸变条纹补偿法与基于三次样条插值的光强补偿法两种方法，基于此提出一种基于线性拟合的相位误差补偿方法。
通过仿真与实验结果分析，证明了该方法的有效性与可靠性，该方法将非线性相位误差降低了20倍。
此外，本文还将几种补偿方法进行了实验分析对比，实验结果表明：基于三次样条插值的光强补偿法补偿效果最差，非线性相位误差降低了5倍，本论文提出的方法补偿效果最佳，大大降低了非线性相位误差。
三维数据测量技术
04
立体视觉测量技术
工作原理
立体视觉测量技术基于双目视觉原理， 通过模拟人眼观察物体的方式，利用两 个相机从不同角度获取物体的图像，以
获得物体的三维信息。
通过匹配对应点，即同一物体在两个相 机视角下的像素点，可以计算出像素点 之间的视差，进而推算出物体表面点的
空间坐标。
立体视觉测量技术能够快速、准确地获 取物体的三维数据，且对环境光照条件 要求较低，具有较高的测量精度和灵活
工作原理
激光雷达原理
三维激光扫描技术基于激光雷达原理， 通过向目标物体发射激光束并测量反 射回来的时间，计算出物体表面的三 维坐标。
高速旋转扫描镜
测量距离与精度
测量距离和精度取决于激光雷达的发 射功率、接收器性能以及反射物的性 质。
激光束通过高速旋转扫描镜进行发散， 实现对目标物体的全面覆盖扫描。
特点
高精度、高效率、非接触、可实现动 态测量等。
技术原理
光学原理
利用光学原理，如激光、结构光等，将光束投射到物体表面，通 过捕捉光束的反射信息，计算出物体的三维坐标。
机械原理
利用机械装置，如三坐标测量机、激光雷达等，通过移动测头或传 感器，逐点获取物体的三维坐标。
声学原理
利用声波在物体表面反射和传播的特性，通过测量声波传播的时间 或相位差，计算出物体的三维坐标。
高精度与高效率
总结词
随着科技的不断进步，三维数据测量技术也在不断发展，高精度与高效率成为 其重要的发展趋势。
详细描述
高精度是三维数据测量的基本要求，通过采用更先进的测量设备、优化算法和 数据处理技术，可以获得更高精度的测量结果。高效率则可以提高测量速度， 降低测量成本，满足快速生产的需求。
物理实验技术中的表面形貌与结构表征方法与实验技巧
物理实验技术中的表面形貌与结构表征方法与实验技巧导语：在物理学中，对于材料的表面形貌与结构的表征是十分重要的。
通过对材料表面形貌与结构的研究，我们可以深入了解物质的性质和行为，为材料设计和应用提供有效的依据。
本文将介绍一些在物理实验中广泛使用的表面形貌与结构表征方法和实验技巧。
一、光学显微镜光学显微镜是一种通过光线对材料进行表面形貌观察的常用工具。
它可以通过调节物镜和目镜的放大倍数，实现对不同尺度的表面形貌观察。
在使用光学显微镜时，一些实验技巧可以提高观察效果。
首先，要将待观察的材料放置在平整的载玻片上，避免形成影响观察的倾斜和凹凸不平的表面。
此外，如果观察透明材料，可以使用倾斜角度来获得更多信息。
二、扫描电子显微镜（SEM）扫描电子显微镜是一种高分辨率的表面形貌观察工具，具有优秀的空间分辨率和深度感。
它通过扫描电子束在材料表面来观察样品的表面形貌。
在使用SEM进行观察时，一些实验技巧可以提高图像质量。
首先，样品的准备非常关键。
应该确保样品表面的平整度，并避免存在尖锐的边缘，以免损坏电子束发射源。
其次，合适的电子束发射电流和加速电压也会影响观察效果。
正确选择这些参数可以得到清晰、高对比度的图像。
三、透射电子显微镜（TEM）透射电子显微镜是一种观察材料内部结构和纳米尺度表面结构的强大工具。
TEM利用电子束穿透样品，通过探测电子束的散射来提供高分辨率的图像。
在使用TEM进行观察时，需要一些实验技巧来保证观察效果。
首先，样品制备非常重要。
样品应该被制成薄片，以保证电子束能够穿透并获得高分辨率图像。
其次，选择合适的对比度增强剂可以提高图像质量。
最后，通过控制透射电镜的衍射模式和聚焦，可以进一步改善图像质量和观察效果。
四、大角度X射线散射（SAXS）大角度X射线散射技术可以用来表征材料的纳米尺度结构。
通过利用X射线与材料相互作用产生的散射模式，可以获得材料内部的结构信息。
在进行SAXS实验时，需要注意一些技巧来提高实验效果。
三维光学测试系统应用技术研究
三维光学测试系统应用技术研究一、三维光学测试系统的原理和特点三维光学测试系统是通过光学镜头对被测物体进行扫描和成像，利用光学测量原理来获取被测物体的三维形貌和表面特征的一种测试技术。
与传统的接触式测量系统相比，三维光学测试系统具有以下的特点：1. 高分辨率：三维光学测试系统可以实现微米甚至纳米级的分辨率，能够捕捉到被测物体表面的微小细节和变化。
2. 高精度：由于采用了非接触式测量的方式，能够避免传统接触式测量系统中由接触误差引起的测量误差，具有更高的精度。
3. 多功能性：三维光学测试系统可以对不同形状和材质的物体进行测试，能够适用于多种复杂的测量场景。
4. 高效率：采用了自动化的扫描和成像技术，可以快速获取被测物体的三维形貌和表面特征，提高了测试效率。
5. 无接触式测量：避免了传统接触式测量中可能对被测物体造成的损伤，保护了被测物体的完整性。
二、三维光学测试系统的应用领域1. 航空航天领域：在航空航天领域，对于航空器件和发动机等部件的表面质量和形状精度要求非常高，三维光学测试系统可以帮助工程师对这些部件进行高精度的三维形貌和表面特征的测量。
2. 汽车制造领域：在汽车制造领域，对于汽车外观造型和零部件的精度要求也很高，三维光学测试系统可以帮助汽车制造商对汽车外观和零部件进行精确的测量和检验。
3. 电子器件领域：在电子器件领域，对于微型电子元件和电路板的制造和质量控制同样需要高精度的测试系统，三维光学测试系统可以帮助电子行业提高产品的质量和生产效率。
4. 医疗器械领域：在医疗器械领域，对于医疗器械的外形和表面特征的控制也非常严格，三维光学测试系统可以帮助医疗器械制造商对产品进行精确的质量检验。
5. 其他领域：除了上述几个领域之外，三维光学测试系统还可以应用于船舶制造、建筑工程、文物保护、地质勘探等各种领域的测试和检测工作。
三、三维光学测试系统的应用技术1. 光学测量方法：三维光学测试系统主要采用了相位测量和结构光投影两种主要的光学测量方法。
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高动态范围光亮表面的结构光三维形貌测量方法研究与实现结构光三维测量技术目前在工业检测/质量控制、逆向工程(复杂自由曲面的数字化)、物体识别、文物保护、医学和虚拟现实等领域得到了广泛应用。
通过该技术可以准确获得工件的几何形貌信息,为先进制造、自动装配、表面检测等提供有效的指导;另一方面,将工件的三维点云与CAD模型或已有三维数据进行比对,可检测出工件的形变,为质量控制、应力分析、碰撞测试等提供更加完整和更容易理解的可视化分析手段。
然而,现有的结构光三维测量技术在应用中仍然存在一些问题,比如要求测量时环境光照限制在一定范围内,被测物体必须是漫反射表面,且表面反射率变化范围不大。
而工业生产中有大量金属工件以铣削加工为主,经过加工处理后工件的表面会变得十分光亮,若直接对这种光亮表面进行测量,则镜面反射之后的光会太强,造成相机图像传感器饱和,丢失条纹图像高光区域的条纹信息,以致难以正常进行测量;另一方面,由于相机的动态范围有限,对于反射率较低的区域,则会造成条纹过暗,大幅降低测量精度。
针对这些问题,本文系统地研究了结构光图案编码、相位误差补偿、系统标定和高动态范围条纹图像的获取等多个关键技术,提出一种自适应、高动态范围结构光三维测量新方法,包括线移法编码结构光图案、基于特征点映射的系统标定算法、自适应调节条纹图案的最佳投射灰度值和基于平滑样条拟合的相位误差补偿算法,有效地解决了光亮表面结构光三维测量中数据丢失的难题,为高动态范围光亮表面的三维测量,特别是复杂机加工零件的三维测量,提供了有效的解决途径。
本文主要内容概括如下:(1)深入调研国内外光亮表面的三维形貌测量方法,对现有的方法进行归纳,比较,分析,同时指出该领域仍然存在的难点问题,明确本文的研究内容。
(2)针对目前广泛使用的相移法在测量光亮表面时面临图像饱和、互反射和噪声灵敏度高等问题,在深入研究空间编码方法、时间编码方法、相移法等结构光图案编码原理的基础上,提出一种面向光亮表面的快速、鲁棒、高空间分辨率的线移法。
为了使生成的图案比正弦条纹图案更可靠,使用格雷码生成正反黑白条纹图案,并像相移法一样进行线移。
而在图案解码时,对采集的条纹图像边缘的非线性轮廓做线性插值,通过求解交点得到亚像素精度的边缘坐标,由此达到较高的空间分辨率。
(3)测量系统标定是个复杂且耗时的过程,针对基于参考平面的系统标定算法存在约束过强、标
定精度不高、可操作性差、需要定制特殊的标定板等问题,提出一种基于特征点映射的系统标定算法。
把数字投影仪当作逆向的相机,通过建立相机图像像素和数字投影仪图像像素之间的精确对应关系,将相机拍摄的标定板图像中的特征点坐标映射为数字投影仪图像坐标,从而将数字投影仪参数标定转化为成熟的相机标定,进而将整个结构光三维测量系统的参数标定转化为双目立体视觉系统的参数标定。
(4)针对目前在光亮表面三维形貌测量方面存在的自适应测量问题,提出一种自适应、高动态范围的结构光三维测量算法。
通过建立光亮表面条纹图案成像的数学模型,分析被测物体表面反射率、表面互反射和环境光照等因素对采集的条纹图像的影响,提出两种生成条纹图案最佳投射灰度值算法,实现自适应调节条纹图案中每个像素点的最佳投射灰度值,以克服由于被测物体表面反射率、表面互反射和环境光照等因素引起的高光和黑暗,从而获得清晰的条纹图像,恢复被测物体的三维形貌。
(5)在解相位过程中,针对条纹图像的灰度分布非正弦化引起的相位误差,通过对系统的非线性效应进行建模,在分析系统非线性响应及相位空间分布特征的基础上,提出一种基于平滑样条拟合的相位误差补偿算法。
从平面标定板的条纹图像中提取相位误差并构建相位误差查找表,并在后续测量过程中,用于补偿求得的相位。
对补偿后仍然存在的残余相位误差,使用平滑样条拟合的方法对相位进一步做光顺处理。
(6)在前述理论与技术研究的基础上,设计、开发面向高动态光亮表面测量的结构光三维测量系统。
采用Qt应用程序开发框架和OpenCV计算机视觉库开发测量软件,实现系统各项功能模块。
最后通过具体的应用实例,验证本系统的检测功能及相关算法的有效性。