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基于相位预测的在线三维测量像素匹配方法

光学学报 2016年第6期36卷 158-166页

作者：许幸芬曹益平彭旷四川大学电子信息学院四川成都610064

物体的运动使变形条纹图中物体像素点不对应,因此需要对物体做像素匹配。提出了一种基于相位预测的在线三维测量像素匹配方法。仅投一帧正弦光栅条纹到在线运动的物体上,CCD同步采集相同步距时刻受物体调制的变形条纹图。采用傅里叶变... 详细信息

物体的运动使变形条纹图中物体像素点不对应,因此需要对物体做像素匹配。提出了一种基于相位预测的在线三维测量像素匹配方法。仅投一帧正弦光栅条纹到在线运动的物体上,CCD同步采集相同步距时刻受物体调制的变形条纹图。采用傅里叶变换轮廓术(FTP)方法对采集的变形条纹预测物体不同位置的相位信息,并以该相位信息的特征做像素匹配,实现了物体在各帧条纹图中的像素一一对应,同时匹配后的变形条纹产生等效的等步相移,进而采用等步长相移算法来重构在线运动物体的三维面形。计算机模拟与实验验证了该方法的有效性和可行性。同时,与在线FTP方法进行比较,在线FTP方法和本文方法的均方根误差分别为1.013mm和0.024mm,表明该方法对在线三维测量具有较高的测量精度。

关键词：测量像素匹配傅里叶变换轮廓术相位预测在线三维测量等步长相移算法

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基于改进网格运动统计特征的在线三维测量

光子学报 2021年第1期50卷 113-122页

作者：吴海涛曹益平李洋安海华四川大学电子信息学院成都610064 东华理工大学理学院南昌330013

为了解决在线三维测量技术中像素匹配耗时长,准确率低等问题,提出了一种基于改进网格运动统计特征的像素匹配算法。该方法只需一帧固定的正弦光栅投影到被测物体上,由摄影系统连续采集五帧物体在相等位移下的变形条纹图,提取出相应的调... 详细信息

为了解决在线三维测量技术中像素匹配耗时长,准确率低等问题,提出了一种基于改进网格运动统计特征的像素匹配算法。该方法只需一帧固定的正弦光栅投影到被测物体上,由摄影系统连续采集五帧物体在相等位移下的变形条纹图,提取出相应的调制度信息,并利用快速旋转不变性特征算法提取图像的特征点匹配对,然后利用改进的网格运动统计特征算法来实现误匹配对的剔除。最后根据在线三维测量中对其精度要求很高的特点,取其出现位移量最多的值以获得一组相移量相等的条纹图,采用等步相移算法重建出在线移动物体的三维形貌。大量实验验证了该方法的可行性和有效性,与传统的在线傅里叶变换轮廓术算法进行对比,所提方法的鲁棒性更高,能够恢复出更高精度的三维面形。

关键词：在线三维测量像素匹配网格运动统计位移等步相移算法

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基于调制度层析的在线三维测量方法

光学学报 2010年第9期30卷 2573-2577页

作者：郑旭曹益平李坤四川大学光电科学技术系四川成都610064

调制度反映相位展开可靠性的程度,与物体本身灰度和形状有着紧密的关系,因此可作为测量的特征标记。提出了一种采用调制度层析实现在线三维测量的方法。通过投影一固定的正弦条纹到待测运动物体上,借助物体运动可产生等效的相移变形条... 详细信息

调制度反映相位展开可靠性的程度,与物体本身灰度和形状有着紧密的关系,因此可作为测量的特征标记。提出了一种采用调制度层析实现在线三维测量的方法。通过投影一固定的正弦条纹到待测运动物体上,借助物体运动可产生等效的相移变形条纹。利用基于傅里叶变换轮廓术调制度模型计算各帧等效的相移变形条纹的调制度,并采用层析方法从各帧调制度分离出反映待测物体的调制度层析特征,以该层析信息作为特征模板,实现像素匹配,从而获取各帧具有一致像素坐标的等效相移变形条纹,实现在线移动物体的三维面形测量。实验证明了该方法的可行性和实用性。

关键词：信息光学在线三维测量调制度像素匹配相位展开 Stoilov相移算法

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基于光栅参数优化的在线三维测量技术研究

基于光栅参数优化的在线三维测量技术研究

作者：崔奥宇兰州交通大学

学位级别：硕士

计算机技术和图像处理技术等高新技术的发展加快了现代检测技术的前进步伐,光学三维测量技术作为现代检测技术的主流技术,被广泛应用到工业流水线生产过程中。其中最常用的两种光学在线测量方法分别是傅里叶变换轮廓术(Fourier Transfor... 详细信息

计算机技术和图像处理技术等高新技术的发展加快了现代检测技术的前进步伐,光学三维测量技术作为现代检测技术的主流技术,被广泛应用到工业流水线生产过程中。其中最常用的两种光学在线测量方法分别是傅里叶变换轮廓术(Fourier Transform Profil ome-try,FTP)和相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry,PMP)。在线 FTP 是利用一帧参考条纹和一帧变形条纹来重建物体三维形貌。通过对变形条纹图进行傅里叶变换得到频域信息,再对其进行滤波和傅里叶逆变换得到物体处于不同位置时的相位分布信息。在线PMP测量方法由计算机编译一帧正弦参考光栅,采集系统采集N(N≥3)帧具有一定相移量的变形条纹图,采取合适的相位计算方法获得相位信息,对相位展开后,利用相位与高度之间的映射关系重构在线运动物体的三维形貌。为了提高在线三维测量精度的同时也提高企业生产效率,本文从测量算法入手,将光栅参数优化应用在测量过程中,首先利用FTP方法提取物体的连续相位分布,以物体处于不同位置时的相位信息作为研究前提,提出了基于SIFT相位特征提取的像素匹配方法。以下对本文所研究的内容进行详细概述:1.将光栅参数优化应用到在线三维测量过程中。计算机仿真模拟椭球形物体,改变不同的光栅周期,对其进行重构,并计算测量误差。发现不同的光栅周期重构误差不同,周期为10像素时,测量误差最小。为了验证这一结论,模拟Peaks函数形物体,并在周期不同的情况下对其进行重构,并计算测量误差,所得结论与上述结论一致,即周期为10像素时,重构误差最小。在同一周期下,改变条纹对比度,分别对椭球形物体和Peaks函数形物体进行重构,发现随着条纹对比度的增加,测量误差呈减小趋势,并且当条纹对比度在0.96时,测量误差最小。2.在光栅参数优化的基础上,提出基于SIFT特征相位提取的像素匹配方法。物体在生产线上运动的过程中,采集变形条纹图,但每一帧的物体像素点并不对应。本文利用FTP方法预测物体相位信息,辅助完成在线像素匹配过程。采用FTP方法对变形条纹图的光强灰度值分布进行运算,得到物体处于不同位置时的相位信息。运用SIFT算法提取每帧相位分布图的特征点,对相邻两帧分布图的特征点进行匹配后,通过坐标变换,计算待测物体在水平线上所移动的距离,在完成像素匹配的同时也得到一组等效变形条纹图,最后利用改进的Stoilov算法重新构建待测物体的三维面型,计算误差分布为0.021 mm。与标准PMP的重构误差进行对比,验证了所提方法的有效性。

关键词：在线三维测量相位测量轮廓术傅里叶变换轮廓术光栅参数优化 SIFT特征匹配

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一种基于ORB算法的在线三维测量方法

光学与光电技术 2020年第3期18卷 34-39页

作者：蔡后乐曹益平(指导) 李建四川大学电子信息学院四川成都610064

提出了一种采用ORB算法匹配运动物体的特征点,实现目标物体在线三维测量的方法。仅将一固定的正弦光栅投影到匀速运动待测量物体,使用CCD等时间间隔拍照,获取物体的五帧变形条纹图并提取出背景光场。借助ORB算法对物体的背景光场进行特... 详细信息

提出了一种采用ORB算法匹配运动物体的特征点,实现目标物体在线三维测量的方法。仅将一固定的正弦光栅投影到匀速运动待测量物体,使用CCD等时间间隔拍照,获取物体的五帧变形条纹图并提取出背景光场。借助ORB算法对物体的背景光场进行特征点匹配,得到后四帧图像中的物体相对于第一帧的位移量。从而利用图像裁剪的方法获得一组等相移量的变形条纹图,即可采用等步相移算法重构出物体的三维面形。实验验证了该方法的可行性,适用于在线三维测量。

关键词：在线三维测量特征匹配 ORB算法等步长相移算法相位展开

基于线激光扫描的工件三维测量方法研究与实现

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基于线激光扫描的工件三维测量方法研究与实现

作者：李维创合肥工业大学

学位级别：硕士

随着现代工业生产技术的不断进步和全球化进程的快速推进,对工业产品质量的要求也越来越高。大部分工件制造商为了推进自动化生产,提高工件质量,放弃了成本高、效率低的人工检测,采用计算机视觉对工件进行在线检测。计算机视觉中的三维... 详细信息

随着现代工业生产技术的不断进步和全球化进程的快速推进,对工业产品质量的要求也越来越高。大部分工件制造商为了推进自动化生产,提高工件质量,放弃了成本高、效率低的人工检测,采用计算机视觉对工件进行在线检测。计算机视觉中的三维测量相较于传统的二维图像可以获得工件的更高精度的深度信息,可以应用在曲率测量、粗糙度测量等光学信息较少的领域。点云配准作为在线三维测量关键的前置步骤,是保障在线测量结果准确性和重复性的关键过程。目前配准精度最好的迭代最近点算法(Iterated Closest Points,ICP)配准算法耗时较长,难以应用于在线三维测量过程中。本文对当前的配准算法进行优化,大幅度的减少了配准时间,实现了工件的实时测量,本文的主要研究内容如下:首先,对三维点云数据特征进行研究,为了克服直接点云特征提取算法耗时较长的弊端,采用高度映射模型将三维点云数据映射成为二维深度图像。在此基础上,提出了改进的自适应阈值的FAST算法,相较于其他特征提取算法,可以极短的时间内提取几何特征丰富的特征点,同时能够在不同图像对比度的情况下提取足够数量的FAST特征点。利用FAST特征点所在区域的点云数据作为后续算法的待配准点云数据,可以在保证精度的同时,加快配准速度。其次,详细描述了ICP算法的原理及存在的缺陷。针对ICP算法耗时较长的缺点,在传统的ICP配准算法的基础上,使用改进的FAST算法提取的几何特征丰富区域的点云数据,利用实际工业生产环境的先验知识降低待配准的维度,再结合二次插值法加速ICP算法的迭代过程,提出了基于FAST特征的降维加速ICP配准算法。并使用斯坦福大学的3D模型库验证了提出的配准算法的性能。最后,基于本文提出的配准算法,在Visual Studio2019上基于wpf框架开发了一套在线三维测量系统,对其硬件和软件结构进行了介绍。在此系统上完成了柱面镜表面曲率测量和PCB铜箔粗糙度测量两个实例,实验结果验证了配准算法在实际测量应用中的有效性和可行性。

关键词：线激光传感器在线三维测量点云配准 FAST算法 ICP算法

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钢轨三维形貌在线测量中模糊图像复原研究

钢轨三维形貌在线测量中模糊图像复原研究

作者：袁宏翔西南交通大学

学位级别：硕士

在轨道交通中,钢轨起到了不可替代的作用。在支撑并且引导车辆的运行过程中,钢轨不可避免地会受到磨耗。为了保障轨道交通的安全运行,需要对钢轨的磨耗进行检测。传统的二维测量方法只是基于图像的特征信息进行检测,二维测量只能获得二... 详细信息

在轨道交通中,钢轨起到了不可替代的作用。在支撑并且引导车辆的运行过程中,钢轨不可避免地会受到磨耗。为了保障轨道交通的安全运行,需要对钢轨的磨耗进行检测。传统的二维测量方法只是基于图像的特征信息进行检测,二维测量只能获得二维信息,而三维测量所获得的三维信息是二维测量无法实现的。在在线相位测量轮廓术(Phase Measurement Profilometry,PMP)中,如果被测物体运动速度比较高,那么通过采集系统得到的条纹图像通常是运动模糊图像。得到的运动模糊图像会使得三维重构的误差增加,严重时将导致三维重构无法进行。将在线PMP应用在钢轨三维形貌重构的在线测量时,为了实现图像中钢轨表面的运动模糊变形条纹的清晰化,本文使用了维纳滤波算法、点扩散函数算法、盲解卷积算法和Richardson-Lucy算法四种模糊图像复原算法对运动模糊条纹图像进行复原。使用峰值信噪比(Peak Signal Noise Ratio,PSNR)对通过四种模糊图像复原算法的复原图像进行图像质量评估。研究车辆运行速度和复原图像质量之间的关系,得到了复原图像质量与车辆运行速度之间的关系曲线,并对其进行误差分析。通过理论及实验结果表明:在实现图像中钢轨表面的运动模糊变形条纹的清晰化时,使用Richardson-Lucy算法的复原图像质量比较好,复原图像质量与车辆运行速度是多次式关系。为了提高PMP的精度并防止在三维重构的过程中出现错误,本文将传统的Stoilov算法进行改进,有效地去除了四类奇异点。与此同时,本文提出了一种改进的正则化方法对运动模糊条纹图像进行复原。对于点扩散函数的计算与估计进行了多方面的研究,注重于点扩散函数的求取与转向两方面。对于连续的几帧运动模糊图像的点扩散函数,可以通过近似求取以实现极大程度上的节省运算时间并获得一个精度很高的点扩散函数。在点扩散函数的计算上使用Radon变换算法,求得的点扩散函数在正则化边缘重建的过程中将会很大程度上的缩短时间并提高精度。使用本文改进的正则化图像复原算法和改进的PMP能够实现对钢轨三维形貌的精确在线三维测量。

关键词：相位测量轮廓术运动模糊图像图像复原在线三维测量

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基于超分辨率图像重建的在线相位测量轮廓术

光子学报 2021年第7期50卷 152-160页

作者：高杰曹益平陈锦四川大学电子信息学院成都610065

在线物体运动速度过快时会导致采集的变形条纹出现运动模糊,从而丢失相位信息。通过调节相机的图像采集模式可以提高相机的采集帧率,但势必会牺牲相机的分辨率。为了获得高分辨率变形条纹,采用基于最大后验概率的超分辨图像重建方法,使... 详细信息

在线物体运动速度过快时会导致采集的变形条纹出现运动模糊,从而丢失相位信息。通过调节相机的图像采集模式可以提高相机的采集帧率,但势必会牺牲相机的分辨率。为了获得高分辨率变形条纹,采用基于最大后验概率的超分辨图像重建方法,使用高斯模型和马尔可夫-吉布斯随机场模型构建高分辨率变形条纹图的后验概率模型,通过目标函数最小化得到高分辨率变形条纹图的最优估计,实现超分辨率条纹图像提纯,最后将所有提纯后的等效相移变形条纹图用相位测量轮廓实现在线三维轮廓重构。实验结果证明了该方法的有效性。所提方法在高精度快速在线三维测量中具有很好的应用前景。

关键词：相位测量轮廓术超分辨图像重建在线三维测量最大后验概率随机场

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PMP在钢轨表面缺陷在线测量中的应用研究

PMP在钢轨表面缺陷在线测量中的应用研究

作者：肖龙飞西南交通大学

学位级别：硕士

随着科技的发展,无损检测技术特别是光学三维测量技术受到了广泛的关注和研究。相位测量轮廓术(PMP, Phase Measurement Profilometry)作为光学三维轮廓测量检测的一种,因其具有非接触性、无损伤、高精度等优点,被越来越广泛的应用于各... 详细信息

随着科技的发展,无损检测技术特别是光学三维测量技术受到了广泛的关注和研究。相位测量轮廓术(PMP, Phase Measurement Profilometry)作为光学三维轮廓测量检测的一种,因其具有非接触性、无损伤、高精度等优点,被越来越广泛的应用于各种工业检测、医学诊断、实物仿形等领域。铁路运输作为国家交通运输中很重要的一个环节,承载了大部分的客运和货运任务,因此铁路安全检测受到了广泛的关注。随着铁路向着的高速、重载、高密度运行方向的发展,钢轨作为列车运行的重要部分,其安全检测不容忽视。本文调研了国内外钢轨磨耗以及钢轨表面缺陷检测的研究现状,同时分析了现有的一些光学三维测量技术,最后选择采用相位测量轮廓术进行钢轨表面缺陷的在线检测。本课题主要的研究工作放在相位测量轮廓术中相移算法的研究以及亚像素匹配的研究上。通过对比和分析现有相移算法,选择传统Stoilov相移算法作为研究对象。针对该相移算法存在的不足,开发了一种基于概率和统计的改进算法。改进后的Stoilov算法能有效的去除传统算法中的四种奇异点,保证了相位测量轮廓术的精度。像素匹配是在线相位测量轮廓术中至关重要的一部分。通过调研和总结,本文选择将SIFT算法应用到像素匹配中,并结合实际应用,得到一种基于SIFT和图像灰度匹配的亚像素匹配算法。该算法能够实现亚像素级匹配,并且不需要在传送带上粘贴特殊标记,也不受被测物体形状和大小的限制,很好的保障了在线相位测量轮廓术的精度。通过实验验证和误差分析,采用改进的相移算法以及像素匹配算法,能够满足在线钢轨三维轮廓检测的要求。实验结果表明将相位测量轮廓术应用到钢轨在线检测是可行的。

关键词：相位测量轮廓术 Stoilov算法亚像素匹配钢轨三维形貌测量在线三维测量