虚拟光栅的可视化生成软件设计

２０１４年第１２期　
文章编号：１００９—２５５２（２０１４）１２—０１５５．＿　中图分类号：ＴＰ３９１．９　文献标识码：Ａ　

虚拟光栅的可视化生成软件设计　

莫靖杰，李金龙，黄　航，柴瑞青，江海波，段　帆　
（西南交通大学物理科学与技术学院，成都６１　１７５６）　
摘要：基于结构光照明的主动三维测量技术由于具有快速、非接触、高精度、易于实现自动　
化等测量特点，日益受到ｋ－＇ｆ￣３的重视。文中依据正弦光栅、Ｒｏｎｃｈｉ光栅的物理模型，在计算机　
可视化软件平台上实现对光栅的图像仿真及功能变换，包括光栅类型的选择、光栅密度的设定、　
对比度的设定、占空比的设定、红绿双频显示、相位移动、正交光栅、混合光栅的生成以及在　
光栅上添加标记。该软件交互性强，结果直观，操作简单，可应用于日常教学及三维测量技术　
中虚拟光栅的生成，从而取代实际光栅的使用不便。　
关键词：虚拟光栅；图形用户界面；可视化软件　

Ｖｉｓｕａｌ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ　
ＭＯ　Ｊｉｎｇ－ｊｉｅ，ＬＩ　Ｊｉｎ—ｌｏｎｇ，ＨＵＡＮＧ　Ｈａｎｇ，ＣＨＡＩ　Ｒｕｉ—ｑｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ　Ｈａｉ—ｂｏ，ＤＵＡＮ　Ｆａｎ　
（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１　１７５６，Ｃｈｉｎａ）　
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｔｉｖｅ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ　ｌｉｇｈｔｉｎｇ　ｉｓ　ｐａｉｄ　ｍｏｒｅ　
ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｓｅｒｉｅｓ　ｏｆ　ｍｅｒｉｔｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｈｉｇｈ　ｓｐｅｅｄ，ｎｏｎ—ｃｏｎｔａｃｔ，ｈｉｇｈ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｅａｓｙ　ｔｏ　ｂｅ　
ａｕｔｏｍａｔｉｃ，ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ　ｇｒａｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｒｏｎｃｈｉ　ｇｒａｔｉｎｇ，　
ｉｍａｇｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｇｒａｔｉｎｇ　ａｒｅ　ｒｅａｌｉｚｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　
ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｈｏｉｃｅ　ｏｆ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｔｙｐｅ，ｒａｓｔｅｒ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ｓｅｔｔｉｎｇ，ｃｏｎｔｒａｓｔ　ｓｅｔｔｉｎｇ，ｔｈｅ　ｄｕｔｙ　ｃｙｃｌｅ　
ｓｅｔｔｉｎｇ，ｔｈｅ　ｄｉｓｐｌａｙ　ｏｆ　ｒｅｄ　ａｎｄ　ｇｒｅｅｎ　ｄｕａｌ—ｂａｎｄ，ｔｈｅ　ｐｈａｓｅ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　
ｇｒａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｍｉｘｅｄ　ｒａｓｔｅｒ　ａｎｄ　ｍａｒｋｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｇｒａｔｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｉｓ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅ，ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎｔｕｉｔｉｖｅ　ａｎｄ　ｅａｓｙ　
ｔｏ　ｏｐｅｒａｔｅ，ａｄａｐｔｉｖｅ　ｔｏ　ｄａｉｌｙ　ｔｅａｃｈｉｎｇ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｇｒａｔｉｎｇ　ｉｎ　ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　
ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｈｅｎｃｅ　ｔａｋｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｌａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｃｏｎｖｅｎｉｅｎｃｅ　ｏｆ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｇｒａｔｉｎｇ．　
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｉｒｔｕａｌ　ｇｒａｔｉｎｇ；ＧＵＩ；ｖｉｓｕａｌｉｚｅｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　

０　引言　
基于结构光照明的主动三维测量技术由于具有　
快速、非接触、高精度、易于实现自动化等测量特点，　
日益受到重视¨　ｊ。该技术主要通过投射于被测物　
表面的入射光反射畸变信号的分析从而获得物体三　
维面形分布，再由此进行图像的还原和测量。其中　
投影型三维测量技术是光电三维测量中的一项重要　
技术分支，其中采用图像处理的虚拟光栅方法　和　
傅里叶变换解调方法　得到了广泛的关注。　
光栅是光学测量的工具，实际光栅由于投影中　
产生的问题并不方便，使用虚拟光栅极大地简化了　
工作流程，提高了工作效率。虚拟现实技术与高度　

发展的计算机编程软件系统的有机结合，为产品的　
设计、变更以及工艺优化提供了虚拟的三维环　
境　。交互式软件的出现，为虚拟光栅的应用搭建　
了平台。　
图形用户界面（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）简称　
ＧＵＩ，作为一个数学运算能力很强的软件　，Ｍａｔｌａｂ　
的运算结果通常是用图形来表示的，具有强大的成　
图功能　，ＧＵＩ的使用更易于图形表现的多元化，在　

收稿日期：２０１４—０２—１３　
作者简介：莫靖杰（１９９３一），男，本科在读，研究方向为光电技术。　
通讯作者：李金龙。　

一
１５５—　
数字图像处理中更加的方便、直观　Ｊ。用户可以利　
用这些对象，根据自己的实际设计需求来设计具有　
界面友好、功能强大，操作简单的图形用户　
界面　…。　
本文依托于正弦光栅及Ｒｏｎｃｈｉ光栅的物理模　
型，在计算机可视化软件平台上实现虚拟光栅的图　
像仿真及各项功能变换，解决了实际光栅使用不便　
的困难。　
１　设计原理　
①正弦光栅　
正弦光栅是振幅透射率沿一个方向（如　轴方　
向）按正弦或余弦规律变化，而且在此垂直的方向　
（如Ｙ轴方向上）振幅透射率不变的透射光栅。其　
透射率函数为：　

ｆ（　）＝［÷＋　ｃｏｓ（２￣ｆｏ　）］ｒｅｃｔ（￣－）　（１）　
－　
其中，　为正弦光栅的基频，即正弦光栅周期的倒　

数。参数ｍ代表屏幕上光栅振幅透射率峰值的变　
化¨引。由此可以改变参数ｍ，产生对比度可调的效　
果。为简单起见，认为光栅结构限于宽度为ｆ的狭　
缝中，在ＧＵＩ界面中设宽度ｆ为１０２４。　
透射率函数的截面图如图１所示。　

Ｊ　ｌ　

ｔ　
图１　正弦振幅型光栅的透射翠函数　
②Ｒｏｎｃｈｉ光栅　
Ｒｏｎｃｈｉ光栅是以黑色线条及等空间间隔刻划　
的透明板，可以形成等间隔方波。其透射率函数可　
表示为矩形函数ｒｅｃｔ（ｘ／ａ）和梳状函数ｃｏｍｂ（ｘ／ｄ）　
的卷积。其表达式为：　
＇　
ｔ（ｘ）＝［　１・ｒｅｃｔ（￣／（ｐｒ））　ｃｏｍｂ（ｘ／Ｔ）］・　ｃ￡　

』　
（ｘ／Ｂ）　（２）　

１　
其中，Ｔ为Ｒｏｎｃｈｉ光栅的周期，　＝÷，参数Ｐ代表　

０　
屏幕上缝宽与缝间距的比值，由此可以改变参数Ｐ，　

产生占空比可调的效果。为简单起见，认为光栅结　
构限于宽度为曰的狭缝中，在ＧＵＩ界面中设宽度Ｂ　
为１０２４。　

一
１５６一　

透射率函数的截面图如图２所示。　
—
－．１　ａ　Ｊ——　
—　
Ｂ　
＝＿－　

图２　Ｒｏｎｃｈｉ光栅的透射率函数　
２主界面设计流程　
２．１总体设计流程　
总体设计流程如图３所示。　

创建主界　并完成　
功能键设计　

ｌ　
Ｉ在相应功能键ｃａｌｌｂａｃｋ　
ｌ添加函数实现功能的　
Ｉ　显示图像处理　

Ｉ　
连接各功能键内部　
数据，完成相应参　
数的设定和修改　
ｌ　

确定　示版面ａｘｅｓ，连　
接控件内部数据，添加　
鼠标标记和图像清除、　
图像保存功能　

图３总设计流程　
２．２可视化虚拟光栅的功能实现　
①光栅类型的选择　
本文光栅类型的选择依托列表框，可直观地供　
用户选择光栅类型，然后通过显示光栅功能按钮实　
现光栅图像的显示。　
②光栅密度　
光栅密度物理意义表示为光栅平面ｌｍｍ内的　
刻痕条数，通常用光栅常数的倒数来表示，即尼＝１／　
ｄ。光栅密度的设定使用编辑框，用户可自由输人光　
栅密度这一参数。　
③光栅对比度　
由设计原理可知，改变参数ｍ，可产生对比度可　
调的效果。对比度的设定同样使用编辑框，用户可　
自由输入光栅对比度这一参数。值得注意的是，只　
有正弦光栅的对比度可调，对Ｒｏｎｃｈｉ光栅是没