相位测量轮廓术的应用现状及发展趋势

1、相位测量轮廓术的应用现状及发展趋势孙园 ,李大心(中国地质大学 地球物理与空间信息学院 ,武汉430074)摘 要 :自 20 世纪 80 年代以来 ,随着激光技术和 CCD 图像传感器的不断发展和广泛应用 ,并 结合计算机图像处理技术 ,相位测量轮廓术 ( PM P) 得到了快速的发展 。该技术以非接触 、全场测 量 、高精度 、高灵敏度及自动化等优点得到广泛应用 。主要阐述了 PM P 在国内外的应用现状 、存 在的问题及发展趋势 ,并简单介绍了 PM P 的基本原理 ,对现有的测量方法进行分析和比较 。关键词 :光学测量 ;相位测量轮廓术 ;应用现状 ;发展趋势文章编号 :1000266

2、56 (2006) 0320130203中图分类号 : T G115 . 28文献标识码 : AAppl ica tion and Development of Pha se Mea suring Prof ilometrySUN Yuan , L I Da2xin( Instit ute of Geop hysics & Geo matic s China U niver sit y of Geo science s , Wuha n 430074 , China)Abstract : Since 1980 s , Pha se Mea suring Profilo met r y

3、wa s developed sharply , wit h t he develop ment a ndapplicatio n of la ser technolo gy. The met ho d wa s ver y pop ular wit h ma ny adva ntage s such a s no n2co ntact , f ull2field mea surement , high accuracy and sensitivit y , a uto matio n. The developing t rend and applicatio n stat us of Pha

4、 se Mea suring Profilo met r y in t he wo rld were described. The p rinciple of mea suring met ho d wa s int ro duced , and t he exi sting met ho ds were analyzed a nd co mpa red.Key words :Op tical mea surement ; Pha se mea suring p rofilo met r y ; Applicatio n stat us ; Developing t rend随着计算机 、光学

5、和光电子技术的迅速发展 ,极大地改变了传统的光学计量技术 ,新的三维传感和 计量方法也不断涌现 。基于结构光照明的光学三维 面形测量 (又称光学三维传感) 方法具有非接触 、高精度 、快速及易于在计算机控制下实行自动化测量 等特点 ,在机 器 视觉 、自 动检 测 、质量 控 制 、逆向 工 程 、生物医学等领域都有着广阔的应用前景 。PM P 方法有其本身的优缺点及适用范围 ,它实 现了点对点求解初相位 ,避免了物体表面反射率不 均引起的误差 ,其测量精度可高达几十分之一到百分之一个等效波长 。但 PM P 需要精密的相移装置 和正弦性良好的投影光栅 ,否则会引入测量误差 。极大地改变了传统

6、的光学计量技术 ,加之高性能的微型计算机和图像处理系统使光学图像的计算机辅 助分析技术得以快速发展 ,使光学测量在信息的获取和处理技术上得到很大的进步 。近年来国内外新 的三维传感和计量方法不断涌现 。为此 ,国际光学学会 ( SP I E) 1994 年在以信息光学的前沿为主题的年会上 ,首次将光学三维传感列为信息光学前沿七 个主要邻域和方向之一 。早在 20 世纪 70 年代 , PM P 的许多理论基础就已经形成 ,但由于图像采集 、图像处理及计算机技术 的限制 ,而制约了其发展 。直到 80 年代初期 ,出现 了集成化的电子存储模块 ,这时条纹图像可以以点阵的形式量化为数字量存储在计算

7、机帧存体中 ,并进行读出和写入 ,随着 CCD 固体成像器件 、图像处 理和计算机技术的发展 ,相位检测技术采用 CCD 数码相机或摄像机采集条纹图的光强信息 ,通过图像 采集卡把条纹图量化为数字图像存储在计算机中 ,由计算机对它们进行运算 ,并结合相位技术 ,最终得1国内外发展现状自 20 世纪中期以来 ,随着激光器的发明 、微电子技术 (如 CCD 固体成像器件) 的不断发展和完善 ,收稿日期 :20052062021302006 年 第 28 卷 第 3 期无损检测孙园等 :相位测量轮廓术的应用现状及发展趋势到所要求的相位信息 ,即由原来读条纹图而进展为计算机直接输出最后测量结果 ,从而

8、使测量自动化 ,因而大大提高了使用的性能和效率 。 四川大学和西南石油学院在原石油部支持下 ,以准正弦投影光场 PM P 为基础 , 研制成功了用于井底模式探测的三维面形自动测量系统 1 。采用结 构光照明的 PM P 在定量的医学研究中也成为一种 重要的诊 断工 具 , 如 口腔 全牙 型 三维 面形 测 量 2 。 美国的 TC2 公司的 PM P 系统开发出服装尺寸提取 软件 。相位 <( x , y) 是很困难的 , 而相移算法却提供了一种精确测定相位的手段 。当投影的正弦光栅被移动其 周期的 1/ N 时 , 条纹图的相位被移动 2/ N , 产生一个新的强度函数 I n (

9、x , y) 。通过 N 相位算法 , 可以从 N 个相移条纹图中 计算出相位函数 。算法如下Nn = 1 I n ( x , y) si n 2nN<( x , y)= a rct a n( 2)NI n ( x , y) co s 2nNn = 1存在的问题及发展趋势3PMP 的测量原理2随着计算机技术 、光电器件和激光技术的快速发展 ,三维轮廓测量技术已取得很大进展 ,许多测量 系统已走出实验室 ,变成商品化产品 ,但为了更好地 适应工业化的需求 ,目前还有一些方面有待提高 。3 . 1 阴影和盲区问题相移测量法的测量受被测物表面散射特性的限 制 ,必须满足光线所及 (光线能照到)

10、 和视线所及 (能被观察到) 两个条件 ,对于光线不可及或视线不可及 的地方 ,形状测量则 无 法实 现 , 出现 阴 影和 盲区 问题 。目前人们提出一些解决方案 ,如采用类似于共 焦的显微镜原理的散焦技术 ; T K De Wit t 等人 3 提 出的衍射光栅技术 ; 苏显渝等人 4 提出基于调制度的测量方法 。由于上述测量系统的投影方向和探测 方向一致 ,对于解决阴影问题起到一定的作用 。3 . 2 图像的预处理在相移测量法中 ,借助于计算机的图像处理能 力 ,一方面可以大大提高工作效率 ,避免繁琐 、费时 、 费力地人工判读条纹图 ;另一方面 ,又可提高测量精 度 ,避免人工判读的失

11、误和主观因素的影响 。实际工作中 ,由于各种各样的原因 ( 如摄 像 机产 生的 畸 变 、移项器产生的相差等) 都会在干涉条纹图中引入各种各样的噪声 5 ,这对条纹的分析处理是十分不 利的 ,甚至严重影响测量精度 。因此 ,必须采取相应的预处理措施以减小噪声影响 。3 . 3 相位去包裹通过相移 法 求 得 的 相 位 值 都 是 折 叠 在 - +的主值区间 ,必须对相位进行去包裹 ( Pha se un2w rappi ng) 处理 ,正确地恢复出被折叠的 2 n才能求 得真实的相位值 。早期的相位去包裹是采用线性扫描的方法 ,它通过对空间上相邻点相位值的比较完 成 。由于测量过程中不可

12、避免地存在各种干扰而使 包裹相位图总存在相位误差点 ,当去包裹过程碰到PM P 系统的框图可用图 1 表示 ,系统由投影 、成像 、数据获取与处理三大部分组成 。当一个正弦 光栅图形被投影到三维漫反射物体表面时 ,从成像系统获取的变形光栅像可用式 (1) 表示 ,若考虑漫反 射体反射率的差异 ,则可写成I ( x , y) = R ( x , y) A ( x , y) + B ( x , y) co s <( x , y) ( 1)式中R ( x , y) 物体表面不均匀的反射率A ( x , y) 背景强度B ( x , y)条纹的对比A ( x , y)<( x , y) 相

13、位函数 , 表示条纹的变形图 1 PM P 系统框图<( x , y) 与物体三维面形 z = h ( x , y) 有关 。相位和三维形状之间的关系取决于系统结构参 数 。由于变形光栅像与传统的干涉条纹图相类似 , 因此变形光栅像有时 又 称为 干涉 图 。在 干 涉计 量 中 ,光波 长 作 为 度 量 三 维 宏 观 起 伏 的 尺 度 , 而 在PM P 方法中与投影条纹间距有关的等效波长被作为度量三维宏观面形的尺度 。由于这种概念上和处 理方法上的相似性 ,在数字相移干涉术中所使用的 相移算法被成功地用于 PM P 中 。由于直接分析式 ( 1) 所表示的强度分布而确定1312

14、006 年 第 28 卷 第 3 期无损检测孙园等 :相位测量轮廓术的应用现状及发展趋势这种误差点时 ,误差会沿去包裹方向扩散 ,在真实相位图上形成“拉线”现象 。为此 ,人们提出了许多改 进算法 68 。总体上分为两类 ,全场和区域解相位 。 各种算法都有各自的缺点和缺陷 ,因而不是普遍适用于各种测量表面 。3 . 4 大视场高精度的三维轮廓测量现在大部分测量系统比较注重测量的精度 ,而 并不太强调测量的范围 。然而 ,现代工业越来越要 求测量系统既有高精度又有大范围 。最近报道 ML e h ma n n 等人 9 采用条纹投影的方式 ,能测量 4 m宽的砖墙 。李万松等人 10 提出采用

15、坐标校正和基 于洪水算 法的 图像 拼 接法 , 测 量 15 m ×9 m 的 沙 坑 ,每幅图的测量范围为 640 mm ×800 mm ,在整个 校正范围内高度的均方根误差 < 0 . 5 mm 。3 . 5 实时动态三维轮廓测量实时三维轮廓测量是指集三维坐标显示 、三维 测量 、工业控制及在线质量检测等方面于一体的技术 ,其关键是对计算速度提出了很高的要求 。近年 来随着对三维物体测量精度 、产品质量及降低成本等方面要求的不断提高 ,在工程设计 、模具开发及其产品的制造等实时监控方面对光学实时三维轮廓测 量的要求越来越迫切 。如 Ho bro ught 所说

16、“, 实时”指的是每隔 17 ms 获取 CCD 传感器上每一个像素 点的值 。最近 T Cla r k 等 人 11 通过 采用 摄 影测 量技术 (p ho to gra mmet r y) , 每 40 ms 可 获得 100 多 个 被测点的信息 ;任守强和方强 12 利用编码光的两个采样值实 现 了 动 态 测 量 ; 张 启 灿 和 苏 显 渝 13 采 用F T P 测量动态液面 ,采用范围为 320 ×240 像素 ,一 共拍摄 10 . 4 s ,共获得 205 帧动态图像 。人们一直希望研究出一台普遍适用的轮廓仪 ,使它具有很好的自适应性 ,可以根据被测物体的几

17、何形状以及距离 、范围和角度等自动调节其投影接收系统的能力 ,还有解调算法随时跟上投影图像的 变化能力 ,自适应最终表现为投影方式的自适应性 。现在很多人都采用两个相干波前产生的干涉条纹投影到物体表面 ,也有人采用剪切干涉仪作为投影装 置 ,还有人用光纤干涉投影 ,干涉仪技术己经在坐标 测量和机器视觉工业上实现了商品化 。但用干涉仪投影 ,系统复杂 ,要求有良好的机械稳定性及精确的机械移动装置 ,且易受大气扰动的影响 ,因此受到一 定的限制 。近年来 ,液晶投影器 (L CD) 和数字光处理投影仪 (DL P) 得到了很大的发展 ,它们都是可由计算机控制图像板的投影器 ,并且可以产生由软件设计

18、的任意变形光栅的二维图形 ,实现图形的变化 ,己成为有很大发展潜力的自适应投影器件 。参考文献 : 1 苏显渝 ,周文胜 . 采用罗奇光栅离焦投影的位相测量轮廓术 J . 光电工程 ,1993 ,20 (4) :8 - 16 .金国藩 ,李景镇 . 激光测量学 M . 北京 : 科学出版社 ,1998 . 2 T K , L yo n DA . Ra nge2finding met ho d using 3 De Wit tdiff ractio n gratings J . Appl Op t ,1995 ,23 (5) :2510 . Su Xianyu , Su L ikun , L i

19、 Wangso ng , et al . A new 32D p tofilo met r y ba sed o n mo dulatio n mea surement J . Proc SP IE ,1998 ,35 (59) :1 - 7 .竺子民 . 光电图像处理 M . 武汉 : 华中理工大学出版社 ,2000 .Egidi N , Mapo ni P. A co mp arative st udy of t wo f a st p ha se unw rapping algo rit hms J . Applied Mat hemat2 ics a nd Co mp utatio n

20、 ,2004 ,148 (10) :599 - 629 .Xianyu Su , Wenjing Chen. Relia bilit y2guided p ha se unw rapping algo rit hm : a review J . Op tic s a nd L a ser s in Engineering ,2004 ,42 (11) :245 - 261 .H ua ng MJ , Zi2Neng He . Pha se unw rapping t hro ugh regio n2ref erenced algo rit hm a nd windo w p atching met ho d J . Op tics Co mmunicatio ns ,2003 ,203 (3) :225- 241 .L ehmann M , J acquo t P , Facchini M . Shape mea sure2ment s o n lar ge surf aces by f ringe p rojec