那晨旭

摘? 要：現(xiàn)如今，最常用在散射物體的宏觀輪廓測量的光學(xué)投影式輪廓測量技術(shù)有2種，一種為直接三角法，另一種為相位測量法。該文在了解2種方法應(yīng)用形式的基礎(chǔ)上，明確了如今時代發(fā)展對光學(xué)投影式三維輪廓測量技術(shù)提出的要求，并分別探討了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，分析要想滿足日益革新市場環(huán)境的需求，光學(xué)投影式輪廓測量技術(shù)要如何在未來發(fā)展中繼續(xù)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：直接三角法;相位測量法;光學(xué)輪廓測量;光學(xué)投影

中圖分類號：TN249? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

由于物體三維輪廓包括了所有形態(tài)信息，所以在對物體三維輪廓進(jìn)行全方位測量后，能全面掌握物體形狀，并更深入的了解物體信息。因此，在各行企業(yè)飛速發(fā)展中，隨著民用工業(yè)對物體三維輪廓提出了全新的測量要求，市場中涌現(xiàn)出了多種優(yōu)質(zhì)測量方法，如直接三角法，相位測量法等，它們不僅能提升工作速度，保證測量的準(zhǔn)確性，而且支持并行處理。因此，下面對光學(xué)投影式三維輪廓測量技術(shù)進(jìn)行深層探索。

1 光學(xué)投影式三維輪廓測量技術(shù)分析

物體的三維輪廓測量在多個領(lǐng)域中的作用越發(fā)顯著，如醫(yī)療診斷、機(jī)器人視覺、質(zhì)量控制等。由于光學(xué)測量方法具有非接觸特性，且獲取數(shù)據(jù)的速度快、沒有威脅、分辨率高，所以現(xiàn)階段已經(jīng)成為公認(rèn)的最具發(fā)展前景的三維輪廓測量方法。

光學(xué)輪廓測量方法的類型很多，如逐點(diǎn)掃描法、散斑干涉法等。以逐點(diǎn)掃描法為例，通過運(yùn)用光學(xué)投影原理可以更好地進(jìn)行散射物體的宏觀輪廓測量工作。了解當(dāng)前市場發(fā)展趨勢可知，光學(xué)投影式輪廓測量技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，且隨著整體科技技術(shù)水平的革新，涌現(xiàn)出了新的內(nèi)容。該文在研究光學(xué)投影式輪廓測量技術(shù)時，主要從以下2個方面入手。

1.1 直接三角法

這種方法中包括光切法、激光逐點(diǎn)掃描法及最新提出的二元編碼圖樣投影法。因為3種技術(shù)都是以三角測量原理為依據(jù)進(jìn)行工作的，且會根據(jù)成像點(diǎn)、投影點(diǎn)及出射點(diǎn)的幾何關(guān)系確定物體中點(diǎn)的高度，所以在測量時最為關(guān)鍵的是要全面掌握三者關(guān)系。下面對3種方法進(jìn)行簡單說明。1）光切法會引用一維線形圖樣掃描物體，不僅速度比逐點(diǎn)法快，而且測量點(diǎn)也非常簡單。因此，應(yīng)用范圍較為廣泛，在國際市場也有相關(guān)商品出售。2）逐點(diǎn)法是指用一個光點(diǎn)掃描物體，雖然簡單有效，但測量消耗時間長。3）二元編碼圖像投影法會應(yīng)用時間或/和空間編碼的二維光學(xué)圖樣投影，優(yōu)化實踐測量工作的效率。這種方法在現(xiàn)如今的市場環(huán)境中，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。通過對比研究可知，上述3種方法都具備以下優(yōu)點(diǎn)，如信號處理方便有效，不需要引用復(fù)雜條紋分析確定測量點(diǎn)的高度?？梢宰灾餮芯颗c分析物體凸凹。即使物體上存在間斷點(diǎn)，也不會影響最終測量結(jié)果。而存在的問題為測量的精確度不高，且無法測量全場。

1.2 相位測量法

這種技術(shù)會引用光柵圖樣投影到被測物體表面，變形柵像可以解釋為相位和振幅都被調(diào)制的空間載頻信號。如果為正弦光柵投影，則物體上各點(diǎn)光強(qiáng)可表示為：

I（x，y）=a（x，y）+b（x，y）

cos[2cf0x+h（x，y）]

其中，a（x，y）代表背景光的變化方向，b（x，y）代表表面反射率的改變，f0屬于投影到參考平面的光柵圖樣空間頻率，c代表空間相位量，而相位h（x，y）代表物體上各個點(diǎn)的高度。雖然這種技術(shù)的相位高度轉(zhuǎn)變也會引用三角法的原理進(jìn)行操作，但從本質(zhì)上講依舊是相位測量技術(shù)為核心內(nèi)容，因此與直接三角法有較大區(qū)別。

2 光學(xué)投影式三維輪廓測量技術(shù)的研究及發(fā)展方向

2.1 投影形式

為了獲得一臺適用大部分工作的輪廓儀，當(dāng)前世界各國科研人員正努力提高光學(xué)輪廓儀的自主適應(yīng)性。此時，不僅要求輪廓儀可以結(jié)合被測量物體的形狀和數(shù)據(jù)自主調(diào)節(jié)投影——接受系統(tǒng)，而且要保證解調(diào)算法可以隨著投影圖樣改變。了解國內(nèi)外最早出現(xiàn)的投影形式可知，幻燈投影儀應(yīng)用起來不僅方便，而且得到了市場認(rèn)可。但這種方法與泰伯效應(yīng)投影光柵有效結(jié)合是難以自適應(yīng)投影的，極容易在運(yùn)行期間影響工作效率。

應(yīng)用2個相干波前產(chǎn)生的干涉條紋投影到物體表層是一種比較靈活的方法。目前，剪切干涉儀最常見的應(yīng)用區(qū)域就是投影機(jī)構(gòu)，也有人會結(jié)合光纖干涉儀進(jìn)行投影，但不管是哪種方法都要根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)才能科學(xué)調(diào)節(jié)投影方向和條紋周期。需要注意的是2種干涉條紋都沒有明確定域，因此在各個區(qū)域都可以形成清晰的對比度高的正弦干涉條紋。同時，應(yīng)用干涉儀作為投影機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)非常復(fù)雜，必須要具備符合標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械穩(wěn)定性和機(jī)械移動機(jī)構(gòu)，干涉條紋很容易在大氣擾動下出現(xiàn)問題，因此在實踐發(fā)展中受限。

隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)水平的提高，投影方式也提出了新內(nèi)容，如將液晶顯示器用于自適應(yīng)投影機(jī)構(gòu)中。因為這種技術(shù)具有性能平穩(wěn)、操作體積小等優(yōu)勢，所以現(xiàn)已成為市場發(fā)展的流行趨勢。通常情況下，液晶顯示器可以引用到時間/空間相融合的二元編碼圖樣投影中，既可以在有效投影的基礎(chǔ)上，整合處理復(fù)雜區(qū)域，又能與高靈敏度的相位測量法協(xié)調(diào)應(yīng)用。需要注意的是液晶顯示器用于自適應(yīng)投影機(jī)構(gòu)最大的問題是器件的分辨率過低，且難以進(jìn)行高精度測量工作。

2.2 疊相還原

這一現(xiàn)象屬于全部引用相位測量輪廓方法都無法避免的難題。上述分析的幾種技術(shù)會引用反正切函數(shù)計算相位，因此只能返回-π～+π的相位值，換句話說相位對2π卷疊。由此可知，要想構(gòu)建持續(xù)相位分布，要求工作人員必須要按照規(guī)定順序搜索相位間斷點(diǎn)，并且通過加減2π的方式修正。這一過程就叫作疊相還原。但更為關(guān)鍵的是，此時獲取的相位間斷點(diǎn)不僅包括由算法自身引發(fā)的，而且噪聲同樣也可以產(chǎn)生，有的還是被測物體表層真正意義上的物理間斷點(diǎn)。由此可知，要想在無人為因素限制的條件下自主探索是有困難的。同時，在鄰近像素點(diǎn)間的相位高于π時，實際還原工作將難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化和準(zhǔn)確化。

疊相還原技術(shù)作為當(dāng)前條紋研究的重難點(diǎn)，科研人員提出了很多的抗噪聲的疊相還原算法，如割線法、模擬退火法等。需要注意的是，雖然這些內(nèi)容在現(xiàn)如今的研發(fā)與應(yīng)用中取得了好成績，但它們只能用來解決部分問題，依舊無法從根本上取得成效。從本質(zhì)上講，現(xiàn)如今只能在理想狀態(tài)下由一幅相位圖進(jìn)行疊相還原，而其他條件根本不符。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，有很多數(shù)學(xué)問題沒有得到有效處理?，F(xiàn)如今，不管是空域還是時域的發(fā)展都證明，有價值的自動疊相還原技術(shù)必須要實現(xiàn)自動化測量要求。因此，在技術(shù)革新的過程中，科研人員必須要整合實踐經(jīng)驗，持續(xù)探索光學(xué)投影式輪廓測量系統(tǒng)。

3 結(jié)語

總而言之，為了在日益革新的市場環(huán)境中更好推廣和應(yīng)用光學(xué)投影式輪廓測量系統(tǒng)，并加快我國科學(xué)技術(shù)革新的步伐，要求科研人員在整合以往工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，加大對實踐應(yīng)用提出方法的探索。如莫爾等高法、激光逐點(diǎn)掃描法等，不僅在不同條件下展現(xiàn)出了獨(dú)特優(yōu)勢，而且解決了以往工作面臨的難題。同時，還要加大對疊相還原問題的探索，從而促使以相位測量原理為核心的輪廓測量技術(shù)可以向著自動化的方向穩(wěn)步革新。因此，在未來發(fā)展中必須要針對有關(guān)技術(shù)理念進(jìn)行持續(xù)探索，以期可以獲取具備自適應(yīng)投影能力與圖像處理能力的輪廓測量系統(tǒng)。

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