基于RGB相位阴影莫尔的表面形貌精密测量方法基础研究

The new manufaturing process requires that the existing shadow moiré technique is modified to create a framework for taking measurement that will surpass current existing limits dictated by the traditional high-sensitivity moiré setup. The project aims at to develop a new method for 3-D surface reconstruction using shadow moiré topography. The basic principle of it is the combination of the polychromatic shadow moiré topography and phase-shift technique. Taking a colour CCD camera as the device of data sampling, the proposed method can capture the phase-shift fringe patterns in a fast way. Through the parameters optimization, the setup is constructed and the high fringe contrast is achieved. and then,the captured data is corrected for the modulation of the background and amplitude during the process of the data sampling and the wrapped phase map is extracted by developed algorithm with no non-uniform phase shift error,which is unwrapped by the application of the variable precision phase unwrapping technique. In the end,the phase-to-height mapping is realized by the calibration of measurement resolution. The main research contents are followed: the construction method of the RGB shadow moiré setup and the parameters calibration; the development of demodulation technique for the RGB phase shifting shadow moiré fringe patterns; the phase-to-height mapping technique and mechanism for high precision measurement. The proposed method will open a new solution to realize 3-D surface reconstruction using shadow moiré topography. And make it possible to fulfill the task of measurment in a fast way. On the other hand, it will explore the fundamentals for online optical 3-D shape measurement technology.

新制造工艺要求调整现有的阴影莫尔技术体系以对物面形貌快速、高精度表征。项目提出基于红、绿、蓝（RGB）光源的相移阴影莫尔三维传感新技术。其基础原理是阴影莫尔轮廓术与相移技术的结合。彩色CCD为单次拍摄下数据快速采样提供保证，通过布置光源位置实现复色莫尔条纹及测量相位调制，然后校正光场规范化条纹图数据，并发展高精度相移算法、变精度相位去包裹方法和系统标定技术，由粗及精地将绝对相位映射到测量高度空间。主要研究RGB阴影莫尔测量结构优化与装置参数标定；背景和振幅调制下相移阴影莫尔条纹图相位解调技术；高灵敏度莫尔装置绝对相位与高度映射技术；以及系统测量精度提高机理。该方法将为物体表面三维轮廓快速、高精度测量开拓新的途径，可以大大提高在线工业检测、功能表面形貌表征的技术水平。另一方面，为基于加工-测量一体化的加工质量数字化监测与反馈控制探索基础原理。

现代科学技术的快速发展，对阴影莫尔三维形貌测量技术提出了更高的要求,如,零部件变形等场合要求发展全场方法实时测量动态物体三维轮廓。针对实践中发展一种同时具备高速、高精特性的测量装置充满挑战。项目提出一种红、蓝光源编码实光栅投影的三维传感新技术。研究内容包括阴影莫尔测量系统结构参数最优设计、阴影莫尔相移误差、系统标定等问题。通过对相位阴影莫尔轮廓测量技术的深入研究，在莫尔条纹图的噪声抑制、相位解调算法、标定、去包裹等方面取得了较大的进展，为该技术的实用化打下了基础。.研究了相位-高度转换技术，针对高灵敏度测量装置，理论分析了传统测量分辨力标定方法存在的问题，运用移动光栅的数据采样方式，获得了足够帧数的恒间距时域莫尔条纹图，实现了测量空间内测量分辨力的高精度标定。将双目立体视觉的方法引入阴影莫尔测量系统中，克服了阴影莫尔测量装置结构参数难以标定问题，为结构参数标定快速、高精度标定，及精密莫尔装置研制，提供了一种途径。并通过实验对提出方法的正确性进行了验证；.研究了阴影莫尔条纹的形成机理，推导了阴影莫尔条纹光强和测量深度之间的数学方程，进行了理论数值模拟和实验观察，得到了阴影莫尔条纹对比度随测量深度之间的周期性变化规律，为阴影莫尔轮廓测量系统结构设计提供了理论指导； .深入地研究了相移技术理论，对现有的相移算法特点、及其在阴影莫尔中的应用问题进行了全面分析，提出了随机相移阴影莫尔相位解调算法，降低了测量过程的标定要求。实验表明提出的算法可有效地提高测量精度，适用于阴影莫尔轮廓相位解调特点，并优于典型的相移算法； .搭建了基于变换光源位置的快速阴影莫尔测量装置，并对其相位去包裹问题进行了研究，提出了基于泽尼克多项式拟合和基于强度传输方程的两种相位去包裹方法，提出了运用拼接的方法将测量结果扩大到整个测量面，实验对比分析了其性能，理论和实验证实了该方法的正确性。