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投影测量相位提取技术研究

作　者: 崔世林
导　师: 李德华
学　校: 华中科技大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 相位提取三维测量数据驱动小波去噪信号重构背景消除小波轮廓术
分类号: TP391.41
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

结构光投影三维轮廓测量广泛应用在国防安全,工业生产,柔性制造,太空探测,医疗检查等领域,其中只需要一幅调制图像就可以提取出被测物体三维轮廓的傅里叶轮廓术及其拓展方法具有数据点云密度大,精度高,环境友好,非接触,对被测物体无损伤,适合动态物体测量等优点,成为结构光投影三维轮廓测量的主流方法。针对传统相位提取方法速度慢的问题,提出了基于离散Meyer小波的变形条纹相位提取方法,有效解决了相位提取的速度问题。研究了调频调幅信号的数学特征,并据此构造了一个代价函数,代价函数的最小值对应着变形条纹信号Meyer小波分解的最优层次。该方法的优势在于速度快,适用于背景较简单的条纹,能有效减少相位突变和频谱混叠带来的影响。传统上,当被测物体表面高度变化较缓时,采用Mexican Hat小波可得到较高的处理速度和精度,但Mexican Hat小波采用固定的变换尺度,当载波频率和被测对象发生变化时,Mexican Hat小波的鲁棒性特别差。利用傅里叶变换的微分性质,文中重新构造了一个代价函数,和原有的代价函数相比较,新代价函数仅仅由一项构成,结构非常简单,数学原理清晰,运行结果稳定。基于新代价函数,提出了两种方法,第一种方法仍旧采用离散Meyer小波对变形条纹信号进行处理,其速度稍慢于前述方法,但对噪声的敏感程度下降,鲁棒性更强；第二种方法采用新的代价函数自适应的计算Mexican Hat小波的最优尺度,适用于被测物体表面高度梯度变化范围较小的变形条纹,进一步的研究还发现该代价函数可以自适应的从变形条纹的EMD分解中找到最优的载频分量。为了提高相位提取的精度,基于OWT_SURE_LET方法,提出了一种改进的小波去噪方法,该方法采用冗余小波变换,无需假设小波系数服从某种先验分布,并且,文中从理论上详细推导了该改进算法的小波系数最优估计过程和步骤,并采用峰值信噪比(PSNR)和变形条纹相位提取均方根误差这两个性质指标,验证改进算法的有效性。传统小波轮廓术采用动态规划和代价函数计算最优小波脊,在相位突变点处的误差比较大,为了克服这个问题,提出使用具有对数尺度间隔的二进小波进行变形条纹信号的相位提取,使用OTSU算法自适应的从二进小波脊及其邻域内,提取幅值较大的小波系数,并用其重构载波信号,当噪声较小时,该方法可以有效的克服相位突变引起的误差。传统傅里叶变换轮廓术采用带通滤波的方法消除噪声和背景分量,但该方法中滤波器的中心频率和通带宽度难以确定。在二进小波变换的研究基础上,发现采用一定的小波子信号可以高精度的重构出载波分量,并提出了一个经验公式,可以自适应的选择需要的小波子信号,该方法等同于一个自适应带通小波滤波器,其带宽和中心频率完全由算法自适应的决定。当频谱混叠可以忽略时,算法可有效的解决傅里叶变换轮廓术中中心频率和通带宽度难以确定的难题,具有很好的鲁棒性,对噪声的抑制力较强,解相结果较平滑。自适应性和鲁棒性是三维测量系统在实际应用中的基本要求,文中提出的所有相位提取方法均是自适应的,数据驱动的,工作过程中无需人工干预,即使对完全不同类型的测量对象,也无需预设任何参数,同时,这些方法的计算量都较小,适合动态物体测量的需要。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
1 绪论  11-26
  1.1 引言  11-13
  1.2 课题研究的目的和意义  13
  1.3 光栅投影轮廓测量系统架构  13-21
  1.4 光栅投影测量相位提取技术的研究现状  21-24
  1.5 论文的结构  24-26
2 投影测量的主要方法与原理  26-37
  2.1 傅里叶变换轮廓术的原理  26-28
  2.2 加窗傅里叶轮廓术的原理  28-30
  2.3 小波轮廓术的主要原理  30-37
3 一种新的基于离散小波的相位提取方法  37-56
  3.1 调频信号的瞬时相位提取方法  37-38
  3.2 MEYER小波  38-39
  3.3 基于离散小波的相位提取方法  39-45
  3.4 算法测试与结果  45-54
  3.5 算法的有效性分析  54-56
4 基于改进代价函数的变形条纹背景消除法  56-77
  4.1 新代价函数的构造  56-57
  4.2 基于新代价函数的离散小波变换最优尺度选择  57-58
  4.3 基于代价函数的MEXICAN HAT小波变换尺度选择  58-59
  4.4 实验结果对比与分析  59-71
  4.5 内模分解与三维轮廓术  71-76
  4.6 本章小结  76-77
5 小波去噪及其在变形条纹中的应用  77-93
  5.1 小波滤波算法的基本原理  77
  5.2 小波去噪算法的发展  77-81
  5.3 OWT＿SURE_LET小波滤波算法  81-84
  5.4 改进的OWT-SURE小波滤波算法  84-86
  5.5 试验结果与分析  86-92
  5.6 本章小结  92-93
6 基于二进小波的相位提取方法  93-113
  6.1 基于OTSU和二进MORLET小波分解的相位提取算法  93-96
  6.2 基于二进小波和带通滤波器组的相位提取方法  96-101
  6.3 实验结果  101-107
  6.4 两种算法中相关细节分析  107-111
  6.5 算法的优点与有效性分析  111-113
7 结论与研究展望  113-116
致谢  116-117
参考文献  117-126
附录Ⅰ 攻读博士期间发表的论文  126-127
附录Ⅱ 公开发表的学术论文与博士学位论文的关系  127-128
附录Ⅲ 读博士期间参与的科研项目及获得的奖励  128

投影测量相位提取技术研究

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