stoilov算法PMP毕业设计开题报告

本科毕业设计（论文）开题报告题目基于Stoilov算法的三维面形测量学生姓名汤强
学号1117040152
专业年级电子信息科学与技术2011
院系理学院
指导老师郑素珍
1.设计（论文）的选题意义及国内外研究现状
1.1选题意义
光学三维成像就是指用光学的手段获得物体三维空间信息的方法和技术，目前主要指获得物体表面三维空间形状信息的方法和技术。

随着计算机技术、信息技术的迅速发展，极大地改变了传统的光学计量技术。

光学计量初期所采用的感光胶片记录方式已为固态摄像机技术所取代，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迅速发展，这些信息的获取和处理技术上的进步又给光学传感和计量方法上的革新和发展以新的活力，使新的三维传感和计量方法不断涌现。

为此，国际光学学会1994年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领域和方向之一。

相位测量轮廓术(PMP)是一种基于条纹投影和位相测量的光学三维面形测量技术，由于其具有非接触、全场性、速度快、高精度、自动化程度高等特点，这种技术已在工业检测、机器视觉、逆向工程等领域获得广泛应用。

在实际应用中PMP测量精度受到相移的准确性、投影光场的正弦性、探测器响应的非线性、相移算法选择的合理性、数码相机调焦误差等因素的影响。

测量技术在工业生产中起着很大的作用,并且其重要性与日俱增。

目前,尺寸精度测量已经由单纯的长度测量进入了综合的形状测量阶段,随着制品不断向高精度和高质量化发展,对测量技术提出了更严格的要求。

汽车工业、航空航天领域、模具和零部件制造方面的迅速发展极大地推动着测量技术的进一步发展,多媒体技术、数字博物馆立体照相及虚拟现实等又为该技术开拓了更广阔的应用空间。

Stoilov算法是近几年提出的一种相移量任意的等步长相移算法,它无须知道相移量的大小,只要保证相移步长相等,就可以解算出物体表面的截断相位,因而在三维测量领域中倍受人们关注.
1.2国内外研究现状
随着工业化进程的不断加快,光学、光电子等学科的研究不断深入及计算机技术的渗透,发展起来的三维传感技术备受人们关注.相位测量轮廓术(Phase Measuring Profilometry,PMP)以其准确度高、测量面积大、自动化程度高在工业检测、实物仿形、反求工程、生物医疗等领域受到了广泛的应用.它通过投影几帧正弦条纹到物体表面,由摄像系统获取变形条纹来获得物体的三维信息.它需要在测量过程中保证相邻两帧条纹的相移量相等,且总相移量为2π的整数倍,有一定的局限性.近年来在相移干涉术应用中出现的Stoilov算法只要求相移步长相等,无需确定步距值和2π整
数倍的相移总量,在相移干涉术中得到广泛应用,将其引入到PMP中,使PMP更具灵活性.但由于受到环境光、系统数字化误差和探测器的非线性的影响,传统的Stoilov 算法中相移量的计算方法可能会导致较大误差,位相展开时又会将误差传播开去,导致更大面积的解相误差,最后影响了相位提取和系统测量的准确度.
光学三维传感具有广阔的应用前景,并且逐渐普及。

采用结构照明的三维传感方法,包括相位测量轮廓术(PhaseMeasurementprofilomerty,简称pMp)、傅立叶变换轮廓术(FourierTransofrmProfilometry,简称FTP)、调制度测量轮廓术(Moudlation Meas11t'eme11t.PIofiotmerty,简称MMP)等,近年来受到了极大的重视。

国内的研究现状
1、高成勇基于非定步长相移恢复算法的误差分析
给出了在非定步长算法中使相位测量误差达到最小的一个最佳的相移步长。

匹配范围:180°<Υ1<270°,90°≤Υ2≤180°;指出了即使相移步长不在此匹配范围内,应用该算法的相位测量精度亦能达到μm级。

同时对非定步长算法与Stoilov算法进行了误差比较分析。

经分析表明,该算法的性能优于Stoilov算法。

2、许幸芬基于统计逼近的stoilov算法光栅参数优化设计
基于stoilov算法的相位测量轮廓术（PMP）三维测量过程中，由于其表达式中四种奇异现象的存在，致使用stoilov算法时出现解相错误!所以不能很好地重构三维物体。

采用统计逼近的方法补偿stoilov算法表达式中出现的异常点，弥补了stoilov算法的缺陷，同时stoilov算法对光栅周期及条纹对比度比较敏感。

当光强变化较大时，相移图像对应的像素点发生突跳!影响测量精度。

因此，提出一种基于统计逼近的stoilov优化算法的光栅参数优化方法以提高测量精度$实验模拟不同的物体，发现存在重构三维物体时均方差最小的光栅周期和光栅条纹对比度。

验证了光栅参数优化设计的可行性。

3、钱克矛相移技术中五步等步长Stoilov算法的性能分析
Stoilov算法是近几年提出的一种五步等步长相移算法。

有关文献中的误差分析表明,该算法的性能优于四步等步长Carré算法。

文中给出了Stoilov算法的正确表达式,采用线性误差理论详细分析了算法的性能,尤其是算法性能对相移步长的依赖关系。

分析表明,可以选择一个最佳的相移步长以有效减少位相测量误差:相移步长为52°时可有效抑制二次相移量误差的影响;相移步长为90°时可极大地减少光强误差的影响。

最后给出了Stoilov算法与Carré算法和Hariharan算法的比较。

2.主要研究内容
研究理解三维面形测量的基本方法，知道其在现实中的重要意义。

熟悉传统相位测量轮廓术三维测量面形测量的原理，找出其中的重要突破点，但是要明白其局限性和缺点。

通过改进优化算法，尝试弥补传统PMP的缺点。

查阅并掌握stoilov算法，并将其运用与三位面形测量结合。

编程产生光栅图像并与传统方法进行比较，知道stoilov算法的进步意义。

多编程实现stoilov 算法恢复各种图像，从而知道stoilov算法的优点及其不足，并尝试是否还能进行优化。

去了解关于三维面形测量的最新研究成果，大概知道这方面的发展方向。

⑦
利用stoilov 处理数据 了解Stoilov 算法及理论
PMP 三维面形测量理论研究 stoilov 理念及特点
PMP 三维测量原理 编程产生图像 总结分析
进行图形处理，并得出
传统PMP 图像
利用stoilov 恢复图像
比较两者异同
三维面形测量积极作用 Stoilov 算法的重要意义
①
②
③ ④
⑤
⑥
⑦
⑧
⑨
⑩
①：查阅相关资料，对三维面形测量有一定初步了解
②：通过自身学习及请教老师，明白三维面形测量基本公式及其意义
③：编程产生几帧有一定位移的光栅图像
④：在网上和图书馆查阅关于stoilov 算法的起源和意义
⑤：掌握stoilov 算法的公式，明白公式中的原理及其进步之处
⑥：利用stoilov 算法，编程处理三维面形的数据。

⑦：编程恢复自身产生的三维图形
⑧：对图形进行一定的清晰处理，如果异常模糊，重新检查，并用传统方法得出
恢复图像
⑨：从各方面比较两个图像的不同之处，得出两图像的优缺点。

⑩：从原理公式哪里分析其产生不同的原因，明白stoilov 算法的优越之处。

3.拟采用的研究思路
3.1
通过matlab 编程实现成像系统中变形条纹像可以表示为
()[]),(cos ),(),(),(,y x y x b y x A y x R y x I Φ+= . ⑪ 式中 R(x, y)表示物体表面的反射率, A ( x, y )表示背景强度, B (x, y)为受物体面形反射率影响的光场调制强度, 相位函数 (x, y)表示条纹的变形, 与三维物体的面形有关.编程时一般取 R=1 A=0.5 B=0.5。

改变Φ( x, y)中的相位值，得到5帧正弦条纹,两邻两帧条纹相移量为Δ,可以由相应的5帧变形条纹像获得反映物体面形分布的位相函数
[]⎭
⎬⎫⎩⎨⎧∆*---=Φsin 22arctan 51342I I I I I ⑫
式中sin ∆=()2
425121⎥⎦
⎤⎢⎣⎡---I I I I ⑬
反正切计算使相位截断在-π,π之间,需要对进行相位展开.展开后的绝对相位 Φ(x,y)与物体的高度分布函数h(x,y)，存在以下关系
),(1),(),(1),(),(),(12y x y x c y x y x b y x a y x h ψψ++= ⑭ 式中参量a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)作为系统参量标。

接着编程实现传统ＰＭＰ方法的结果，并作比较。

4.设计（论文）的预期结果
1、 做了毕业设计后，对三位面形测量较深入的了解。

2、 能通过自身在实际中恢复一些简单物体的三维面形。

3、 熟悉stoilov 算法及其的进步意义，并熟练应用。

5.设计（论文）的进程安排
设计（论文）的进程安排
序号设计（论文）各阶段内容起止日期
1 查阅资料、熟悉题目，准备开题答辩毕业设计1-2周
2 翻译20000字符的英文专业杂志文章；阅读资料，学习了解
光学三维面形测量的基本原理
毕业设计3-4周
3 掌握Ｓｔｏｉｌｏｖ算法，编程实现测量所需光栅图像毕业设计5周
4 编程实现PMP测量毕业设计6-7周
5 编程实现运用Ｓｔｏｉｌｏｖ算法进行相位提取并恢复物
体三维行
毕业设计8－9周
6 撰写毕业论文并制作论文答辩幻灯片毕业设计10-11周
7 毕业论文答辩毕业设计12周
6.参考文献
1、徐锋，胡松，罗正全，周绍林.条纹图像相位提取方法研究,微纳电子技术
2010年9月。

2、GORTHI S S, KAMESWARA R L. A new approach for simple and rapid shape
measurement of objects with surface discontinuities[ J] . SPIE , 2005, 5856 :184-194。

3、TAKEDA M , MUTOH K.Fourier transform profilometry for the automatic
measurement of 3-D object shapes [ J] . Applied Optics, 22, 1983:
3977 -3982.
4、李永怀，冯其波 . 光学三维轮廓测量技术进展 [J]. 激光与红外， 2005 ，
35(3):143-147.
5、康新 , 何小元 ,QuanC. 基于正弦条纹投影的三维传感及其去包裹处理[J]. 光学学报 ,2001,21(12):1444-1447.
6、苏显渝等编《信息光学》，相位测量轮廓术。

7、武迎春,曹益平 ,钟立俊。

一种改进型Stoilov算法相位测量轮廓术［Ｊ］．光
学日报，２００９，２９（３）：７３３－７３７
8、Stoilov G,Dragostinov T.Phase-stepping Interferometry:Five-frame Algorithm with an Arbitrary Step[J].Opt.&Lasers in Eng.,1997,28(1):61-9。