【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）動(dòng)態(tài)過程的三維面形測量-光信息科學(xué)與技術(shù)

本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 動(dòng)態(tài)過程的三維面形測量 指導(dǎo)教師 翁嘉文 講師 學(xué)院名稱 理學(xué)院 專業(yè)名稱 光信息科學(xué)與技術(shù) 論文提交日期 2012 年 月 日 論文答辯日期 年 月 日 1 摘 要 傅里葉輪廓變換法 （ 是一種利用 變形光柵像以實(shí)現(xiàn)非接觸三維形貌測量的技術(shù)，在質(zhì)量控制、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)視覺 等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該技術(shù)通過將光柵投影到三維物體表面，用 收被物體表面所調(diào)制的形變光柵圖像，然后在計(jì)算機(jī)中將獲取的圖像進(jìn)行傅里葉變換，在頻域上分析提取被調(diào)制的圖像相位信息，繼而利用二維圖像提取三維信息，最終實(shí)現(xiàn)對三維物體的立體重構(gòu)。 傅里葉輪廓變換法（ 一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)是從頻域中提取包含了物體形貌信息的+1 頻譜島。 經(jīng)典 的做法是通過人工分析，手動(dòng)設(shè)定矩形的濾波窗，截取頻譜島后再進(jìn)行形貌重構(gòu)。這樣設(shè)定濾波窗口由于邊緣突變，會(huì)帶來明顯的振鈴效應(yīng)，從而出現(xiàn)負(fù)旁瓣，影響濾波效果。矩形的窗口也會(huì)保留一定寄 生噪聲 ，影響到圖像的還原效果。而由于人工的干預(yù)，一直以來傅里葉輪廓變換法都不利于推廣到多幅圖像的動(dòng)態(tài)測量應(yīng)用當(dāng)中。 在此，本文提出一種自適應(yīng)邊緣漸變頻域 濾波窗口 ，用以實(shí)現(xiàn)基于傅里葉輪廓變換法動(dòng)態(tài)測量的技術(shù)。自適應(yīng)邊緣漸變頻域 濾波窗口 的邊緣為不規(guī)則形狀，隨每幅圖像的頻譜島邊緣變化，有效的減少了原先使用矩形窗所帶來的寄生噪聲和高頻噪聲的影響。同時(shí)也免去了人工定位選擇窗口中心位置。此外，該 濾波窗口 的邊緣緩慢變化，從而減少邊緣突變所帶來的振鈴效應(yīng)。 該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)全過程由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，算法處理速度快，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)多張圖 像的處理，自動(dòng)化程度高。具有非常高的推廣應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞： 傅里葉輪廓變換術(shù) 自適應(yīng) 濾波窗口 邊緣漸變 三維形貌測量 2 目 錄 光學(xué)三維傳感輪廓術(shù)概況 . 1 相位法三維測量輪廓術(shù)概況 . 2 相位測量輪廓術(shù) . 2 本論文主要目標(biāo)與工作內(nèi)容 . 3 2 傅里葉輪廓變換術(shù) . 3 傅里葉輪廓變換術(shù)基本原理 . 3 相位展開 . 5 3 邊緣漸變自適應(yīng)濾波窗口 . 6 常用濾波窗函數(shù)及特征 . 6 矩形窗濾波窗口 . 6 漢寧濾波窗口 . 7 自適應(yīng)空間濾波窗口 . 8 濾波窗口邊緣平滑 . 13 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 . 14 實(shí)驗(yàn)儀器 . 14 統(tǒng)說明 . 15 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)分析 . 16 均勻平滑算子不同像素取值實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比 . 16 形濾波窗口與邊緣漸變自適應(yīng)濾波窗口實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比 . 18 1 1 三維形貌測量技術(shù)概述 隨著近幾十年來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 三維形貌測量 技術(shù) 已經(jīng)由 最初 的 使用機(jī)械式接觸測量 發(fā)展到使用光學(xué)傳感技術(shù)來實(shí)現(xiàn) （翁嘉文， 2004） 。在 現(xiàn) 今工業(yè)生產(chǎn)的過程中，對表面輪廓、模具粗糙度、幾何尺寸以及自由曲面的測量工作越來越多 ，精度要求越來越高，傳統(tǒng)的機(jī)械式接觸測量法，由于存在測量力干擾、測量時(shí)間長等局限性已不能滿足 用戶的要求。與此同時(shí)，隨著各種高性能光學(xué)器件，如數(shù)字光投影儀、電荷耦合器件、半導(dǎo)體激光器等的出現(xiàn)與普及，光學(xué)三維形貌測量技術(shù)以其非接觸、高速測量、高精度和自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)，日益受到人們的重視與研究。 光學(xué)三維傳感輪廓術(shù)概況 光學(xué)三維傳感輪廓術(shù)主要可以分為兩大類：被動(dòng)三維傳感和主動(dòng)三維傳感。 被動(dòng)三維傳感技術(shù) 采用非結(jié)構(gòu)照明方式。 利用從一個(gè)或多個(gè)攝像系統(tǒng)獲取的多幅二維圖像來確定距離信息，生成三維型面數(shù)據(jù)。該系 統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是幾何關(guān)系非常簡單明了。但 要獲取感興趣的點(diǎn)的三維高度信息，就需要在左右兩幅圖像中尋一一對應(yīng)的點(diǎn)。 由于遮掩和陰影的影響，景物中的某些部分 有可能只出現(xiàn)在立體點(diǎn)的一個(gè)觀察點(diǎn)上，而另一個(gè)點(diǎn)被陰影所覆蓋而無法獲取。因此，被動(dòng)三維傳感常用于對三維目標(biāo)的識別、理解以及應(yīng)用于位置、形態(tài)的分析 。 主動(dòng)三維傳感采用的是結(jié)構(gòu)照明方式。投影裝置發(fā)出結(jié)構(gòu)照明光束，投射到三維物體表面時(shí)，光束受到空間和時(shí)間的調(diào)制， 接收裝置接收從三維物體表面返回的信號，對此進(jìn)行解調(diào)，得到三維物體的形貌信息。根據(jù)三維面形對結(jié)構(gòu)照明光場調(diào)制的方式，主動(dòng)三維傳感方法可分為時(shí)間調(diào)制和空間調(diào)制兩大類 （ 蘇顯渝 ， 1999） 。一類是飛行時(shí)間法（ 稱 ，另一種是更為常用的三角法。它以傳統(tǒng)的三角測量為基礎(chǔ)，用于三維面形對結(jié)構(gòu)照明光束產(chǎn)生的空間調(diào)制，改變成像光束的角度，即改變了成像光點(diǎn)在檢測器陣列上的位置，通過對成像光點(diǎn)位置的確定和系統(tǒng)光路的幾何參數(shù)，計(jì)算出距離。 三角法原理可用圖 示 。事實(shí)上大多數(shù)三維形面測量系統(tǒng)和儀器都源于三角測量原理，現(xiàn)今已研究的更為復(fù)雜的三維面形測量技術(shù)，包括 莫 爾輪廓術(shù)、相位測量輪廓術(shù)、傅里葉變換輪廓術(shù) ，只是不同的測量技術(shù)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及和采用不同的方式從觀察光場中提取三角計(jì)算所需要的幾何參數(shù)。 2 圖 三角法原理圖 相位法三維測量輪廓術(shù)概況 相位測量輪廓術(shù) 相位測量輪廓術(shù) 一種新的三維傳感方法。這種方法采用正弦光柵投影和數(shù)字相移技術(shù)， 獲取全場條紋的空間信息和一個(gè)條紋周期內(nèi)相移條紋的時(shí)序信息，重建物體表面的三維信息。 以較低廉的光學(xué)、電子和數(shù)字硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，以較高的速度和精度獲取和處理大量的三 維數(shù)據(jù)。作為一種重要的三維傳感手段，這種方法已在工業(yè)檢測、實(shí)物仿形、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。 但由于其受制于移相機(jī)構(gòu)的精度，而且需要拍攝多幅圖像，只適用于靜態(tài)測量，不適用于實(shí)時(shí)在線測量。 傅里葉變換輪廓術(shù) 傅里葉輪廓變換術(shù) 1983 年由 次提出。 過將朗奇光柵產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)光場投影到待測物體表面，對觀察光場進(jìn)行 傅里葉分析、濾波和逆傅里葉變換，從變形光柵圖像中提取物體三維形面信息。這種方法數(shù) 據(jù)獲取速度快，具有較高精度，并適于計(jì)算機(jī)處理。 目前 傅里葉輪廓變換術(shù)已發(fā)展出采用雙攝像機(jī)采樣然后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合技術(shù) （ 邊心田 ，2011） ，利用二維網(wǎng)格作為空間載頻光柵條紋聯(lián)合二維窗口傅里葉變換進(jìn)行三維形貌重構(gòu)（ 李海 ， 2011） ，采用傾斜式測量系統(tǒng)的傅里葉變換輪廓術(shù) 等技術(shù)。 3 本論文主要目標(biāo)與工作內(nèi)容 作為光信息處理中一種重要的三維傳感手段，傅里葉輪廓變換法 能以較低廉的光學(xué)、電子和數(shù)字硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，以較高的速度和精度獲取和處理大量的三維數(shù)據(jù)，在工業(yè)檢測、實(shí)物仿形、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。而目前為 止，由于需要人工干預(yù)選擇空間 濾波窗口 的限制，使得這一技術(shù)受限于對單幅靜態(tài)物體圖像的處理。 為了 能夠 對物體動(dòng)態(tài)過程 進(jìn)行觀察與 還原，本文提出一種 邊緣漸變的自適應(yīng)空間 濾波窗口 以代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工選擇的空間 濾波窗口 。繼而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對多幅圖像進(jìn)行自動(dòng)化處理，大大提高的數(shù)據(jù)處理的效率。與傳統(tǒng)矩形窗 濾波窗口 對比，該 濾波窗口 同時(shí)具備 去除寄生噪聲和振鈴效應(yīng) 的優(yōu)點(diǎn)，具有一定的推廣意義 （ 2010） 。 本文主要從理論分析和實(shí)驗(yàn)研究兩方面展開闡述，詳細(xì)說明邊緣漸變自適應(yīng)空間 濾波窗口 的原理與性能，以及與其相關(guān)的應(yīng) 用。 本文主要工作內(nèi)容包含以下部分： 1. 傅里葉變換輪廓術(shù)理論算法原理及進(jìn)展。 2. 邊緣漸變自適應(yīng) 濾波窗口 的理論及相關(guān)屬性研究。 3. 基于 擬的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與分析。 2 傅里葉輪廓變換術(shù) 光學(xué)條紋位相分析技術(shù)由于具有非接觸性、高精度、高速性和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。 在眾多領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛地應(yīng)用。在物體的三維形貌測量領(lǐng)域中普遍采用的光學(xué)條紋分析技術(shù)方法 之一就 是傅里葉輪廓變換術(shù)。 傅里葉輪廓變換術(shù)基本原理 測量系統(tǒng)光路原理圖如圖 示 。 圖中 的光軸， 光軸相交于參考平面 點(diǎn)。參考平面與 測量物體表面高度變化的參照面。 光柵的柵線垂直于平面 c O，由投影系統(tǒng)投影在待測物體表面。 當(dāng)正弦光柵被投射到三維漫反射物體表面時(shí)，從成像系統(tǒng)可以獲得被該物體表面面形調(diào)制的變形條紋，條紋的變形由其相位分布的變化得到體現(xiàn)，及物體的高度信息被編碼4 在變形光柵的相位信息中。 圖 量光路原理圖 變形光柵圖像可以記為 (1) 式子中的 是光柵像的基頻， 是物體表面非均勻的反射率， 是物體的高度分布引起的相位調(diào)制，即 (y) = 2當(dāng) h(x,y)=0,即對參考平面 形光柵像為 (2) 式中 = 2。 對上述 和 固定 換，從頻譜中提取出基頻分量，然后進(jìn)行逆傅里葉變換，即可得到變形光場的基頻分布： 5 (3) 改變 y 值重復(fù)該過程即可得到整幅變形光柵圖像的基頻分布。為了消除由于投影 系統(tǒng)的發(fā)散照明所引起的附加相位調(diào)制的影響，必須對基準(zhǔn)平面上的光柵圖像進(jìn)行上述處理，得到原始光場的基頻分布為： (4) (5) 從（ 5）中分離虛部即可得到純粹的由物體高度所引起的相位調(diào)制 。并且由： (6) 通過濾波來提取基頻信息的，因此要確保從頻譜中準(zhǔn)確地提取三維形貌信息，就必須避免不同頻譜的疊加。這使得 個(gè)最大測量范圍的限制： (7) 相位展開 由（ 6）式計(jì)算出的相位值 ，由于反三角函數(shù)的運(yùn)算被截?cái)嘣冢?） 內(nèi)，不是連續(xù)的，所以不能直接獲得對應(yīng)的高度值。為了從 計(jì) 算被測物體的高度分布，必須將由反三角運(yùn)算引起的階段相位恢復(fù)成原有的相位分布，這個(gè)過程稱為相位展開（ 者解包。 近 20年來，各種相位展開的算法層出不窮，各種方法都有它的優(yōu)劣和適用條件。為了在相位展開的過程中保持與原始相位的一致性，使得相位展開的結(jié)果重新包裹與原始的包裹相位之間的均方根 楊鋒濤， 2008） ，本文所使用的是中心區(qū)域展開的枝葉算法。 解包算法是根據(jù)相鄰的像素點(diǎn)通過掃描的方法進(jìn)行解包絡(luò)。掃描的方法是檢驗(yàn)相鄰點(diǎn)的包裹相位的差值 ，當(dāng)差 值在范圍中時(shí) （ ） ，相位值不變；當(dāng)差值大于 時(shí)，相位值減去 2差值小于 ，相位值加上 2到得到的相位是連續(xù)的。相位解包絡(luò)原理可用公式表達(dá)為： 6 3 邊緣漸變自適應(yīng) 濾波窗口 常用濾波窗函數(shù)及特征 傅里葉輪廓變換術(shù)需要對 取的變形光柵條紋進(jìn)行傅里葉變換，頻域?yàn)V波，分離出攜帶物面高度信息的頻譜進(jìn)行逆傅里葉變換，從而恢復(fù)物體的三維形貌信息。因此頻譜濾波是 很重要的一個(gè)過程，對于濾波窗口的選擇 關(guān)系到能否有效抑制隨機(jī)噪聲以及保留基頻信息，還將影響到物體形貌的恢復(fù)程度 （ 李 滿海 ， 2004） 。 下面就各種濾波窗 口 及其特點(diǎn)做出討論和評價(jià)。 矩形窗 濾波窗口 獲取了傅里葉變換后原圖像的頻域信息，傳統(tǒng)的處理手法是使用矩形帶通 濾波窗口 在頻域中濾除 +1 級頻譜島外的其他頻域信息。 帶通 濾波窗口 的表達(dá)式如下： 上式中 u， v 分別為 x， y 方向的空間頻率。矩形框的中心位置為 （ ， ）， 這是理想的低通濾波器，其特點(diǎn)是窗口范圍內(nèi)的頻譜可以保持不變，從而很大程度上保留了原頻譜的信息，如圖 示。通過逆傅里葉變換到空域后，從 圖 以看出，在空域上產(chǎn)生了旁瓣，與圖像進(jìn)行卷積之后引起振鈴現(xiàn)象。同時(shí)空域中的卷積操作相當(dāng)于每個(gè)像素點(diǎn)的簡單重復(fù)，存在抖動(dòng)現(xiàn)象。 7 圖 形窗 頻域 濾波窗口 圖 傅里葉變換到空域的 濾波窗口 漢寧濾波窗口 漢寧濾波窗口 是一種數(shù)字加權(quán)濾波窗口， 變形結(jié)構(gòu)光場經(jīng)過傅里葉變換后，條紋變化緩慢的部分，其頻譜出現(xiàn)在基頻附近，條紋變化劇烈的部分，其頻譜出現(xiàn)在遠(yuǎn)離基頻處。距離基頻越近的變形條紋的可靠度越好，因此可以在 采用加權(quán)濾波技術(shù)，給予距離基頻位置近的頻 譜較大的權(quán)重，隨著距離基頻 離的增加，賦予頻譜分量越來越小的權(quán)重 （ 李滿海 ， 2004） 。二維漢寧濾波窗口函數(shù)表達(dá)形式如下 : 8 其中 為基頻， 和 是截止頻率， =1/2。形狀如圖 示。二維 漢寧窗口不僅對噪聲有很好的抑制作用， 而且可以減小頻譜混疊對 量的影響。但是它會(huì)改變頻譜的分布，若無頻譜混疊，采用數(shù)字加權(quán)濾波技術(shù)反而降低測量精度。 圖 維漢寧濾波窗口 根據(jù)窗函數(shù)對數(shù)據(jù)處理的 影響，選取理想窗函數(shù)的原則有兩個(gè) （ 劉廣臣 ， 2003） ：（ 1）窗函數(shù)的主瓣應(yīng)盡可能地窄，及能量應(yīng)盡可能集中在主瓣內(nèi)，以提高譜估計(jì)時(shí)的頻域分辨率和減少泄漏，在數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)中獲得較小的過渡帶；（ 2）盡量減少窗函數(shù)頻譜的最大旁瓣的相對幅度，以使旁瓣高度隨頻率盡快衰減。矩形濾波窗口的旁瓣高度能隨頻率快速衰減，但卻帶來了振鈴效應(yīng)；漢寧濾波窗口能夠是主瓣盡可能窄，卻會(huì)降低測量精度。鑒于這兩種濾波窗口都有各自的缺點(diǎn)，不能很好地滿足理想窗函數(shù)的原則。下面將提出邊緣漸變的自適應(yīng)空間濾波窗口，以最大程度地實(shí)現(xiàn)上述的理想濾波函數(shù) 。 自適應(yīng)空間 濾波窗口 在實(shí)現(xiàn)多幅圖像的自動(dòng)化處理過程中，首先要實(shí)現(xiàn)的是濾波器選擇的自動(dòng)化。本文提出的濾波器 邊緣自適應(yīng)于頻譜島的形狀，能夠更精確的獲取圖像中目標(biāo)物體信息。同時(shí)由于 濾波窗口 形狀和頻譜島形狀的吻合度較高，有利于減少寄生噪聲的影響。 實(shí)現(xiàn)自適應(yīng) 濾波窗口 的具體操作如下： 9 (1) 濾除 0 級頻譜和 頻譜。 對獲取的圖像 g(x,y)進(jìn)行二維傅里葉變換 其中， 為高通 濾波窗口 ， 如圖 示， 其表達(dá)式為 為濾除 0 級頻譜和 頻譜后的頻譜圖函數(shù)。 為 高通 濾波窗口 的閥值，應(yīng)選在 0 級頻譜島和 +1 級頻譜島兩峰之間的谷處。濾波后頻譜圖如 圖 示 圖 3 圖像頻譜圖 10 圖 通 濾波窗口 圖 波后的 +1 級頻譜島 (2) 圖 濾除 0 級和 頻譜島后的頻譜 灰度直方圖。在灰度直方圖上 ， 可以看出 不同灰度的像素點(diǎn)在整幅圖像中所占比例。 每個(gè)像素點(diǎn)的灰度相當(dāng)于強(qiáng)度。 物體的信息位于 +1 級頻譜島內(nèi)，但由圖 5 可以看出， +1 級頻譜島 的像素 強(qiáng)度雖高，但 在全圖 中 所占的比例很小。 因此我們需要對自適應(yīng)空間 濾波窗口 進(jìn)行閥值設(shè)定。 11 圖 度直方圖 先根據(jù)灰度直方圖擬合一條曲線 q(r)。曲線 q(r)變化由急到緩的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，即其二階導(dǎo)數(shù)為零處即為閥值點(diǎn)所在，可用以區(qū)分 +1 頻譜島的信息與背景信息。而通過幾何方法，我們可得到 該閥值點(diǎn)的值。作 一條直線 l(r)過直方圖的極大 值 點(diǎn)和極小 值 點(diǎn)。當(dāng) 達(dá)最大值時(shí)的灰度值 r 即可設(shè)為閥值 令圖 灰度值大于等于閥值 像素點(diǎn)取值設(shè)為 1，小于閥值 像素點(diǎn)取值為 0。 圖 用閥值對背景 圖像與 +1 級頻譜島進(jìn)行分離 12 處理后 得到結(jié)果如圖 示 ，可以看到在圖 強(qiáng)度較弱的高頻信息被去除了。由于圖中代表頻譜島邊緣的像素點(diǎn)分布是非連續(xù)的，所以需要對圖 行平滑模糊處理。我們在實(shí)驗(yàn)中采用的是 33 的中值 濾波窗口 。圖 中值濾波后的結(jié)果 。 圖 值濾波后的頻譜圖像 (3) 根據(jù)圖 得，對其進(jìn)行邊緣提取，可得到圖 示的自適應(yīng) 濾波窗口 邊緣輪廓。 令輪廓內(nèi)像素點(diǎn)值為 1，便可得到如圖 示的自適應(yīng) 濾波窗口 。 13 圖 適應(yīng) 濾波窗口 邊緣輪廓 圖 適應(yīng) 濾波窗口 三維效果圖 濾波窗口 邊緣 平滑 通過自適應(yīng) 濾波窗口 我們可以實(shí)現(xiàn)濾波的自動(dòng)化，但僅僅通過上述步驟得出的 濾波窗口 邊沿還是突變的。為了要去除由于邊緣突變引起的振鈴效應(yīng)，我們需要對自適應(yīng) 濾波窗口 邊緣進(jìn)行平滑處理。 實(shí)現(xiàn)平滑效果所使用的是如圖 11 所示的均值 平滑 算子。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 f(u, v)= 1/9f(u, v)+ f( f(v)+ f(v+1) + f(u, +f(u+1, v+1)+f(u, v+1)+ f(u+1, f(u+1, v) 是坐標(biāo)為 的像素點(diǎn)的灰度值，而 為其均值平滑后的灰度值。除了使用 3算子外，用戶還可以根據(jù)具體情況和需要使用 5至更大范圍的平滑算子。經(jīng)過測試，在本實(shí)驗(yàn)條件下，不湮滅頻譜島所包含的物體信息同時(shí)又能有效平滑的邊緣 應(yīng)該使用 7均值平滑算子。 其實(shí)驗(yàn)效果將在 演示。 14 圖 值平滑算子 對圖 示的 濾波窗口 使用上述方法進(jìn)行邊緣平滑處理。最終得到的邊緣 漸變 自適應(yīng) 濾波窗口 效果如圖 示。 圖 緣漸變自適應(yīng) 濾波窗口 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 實(shí)驗(yàn)儀器 本實(shí)驗(yàn)的主要設(shè)備有計(jì)算機(jī)（ 4400、主頻： 存： 2 字 投影 儀、視頻采集卡、待測物體和 基于 2009a 的自編程 處理軟件。 投影光柵為豎直正弦光柵，光柵周期設(shè)定為 8，如圖 示。 15 圖 弦投影光柵 待測物體為婦女石膏頭像。 被 投影后效果如圖 示。 由此獲得被調(diào)制的光學(xué)條紋。 圖 投影的石膏頭像 統(tǒng)說明 實(shí)驗(yàn)所用系統(tǒng)于 運(yùn)行，其操作界面如圖 示。為了方便數(shù)據(jù)分析和效果對比， 系統(tǒng)由人手 動(dòng)控制鼠標(biāo) 點(diǎn)擊按鍵進(jìn)行相應(yīng)步驟操作。 從而直觀地獲得 2 維傅里葉變換頻譜圖，灰度直方圖， 濾波窗口 二維及三維圖示等多項(xiàng)重要參數(shù)。 在應(yīng)用到實(shí)際動(dòng)態(tài)觀測的時(shí)候可將按鈕合成，以實(shí)現(xiàn)無人工干預(yù)的多幅圖像自動(dòng)化處理。 各個(gè)按鈕的說明如下： 16 圖 驗(yàn) 用 統(tǒng) （ 1） 輸 入原始光柵（ 此按鈕用于讀入原始光柵圖像，本實(shí)驗(yàn)使用的投影光柵為豎直正弦光柵，光柵周期設(shè)定為 8，如圖 示。 （ 2） 輸入形變光柵（ 此按鈕用于讀取投射到三維物體表面被高度信息所調(diào)制的形變光柵。 （ 3） 二維傅里葉變換（ 2 此按鈕用于對圖像進(jìn)行二維傅里葉變換，將形變光柵圖像由空域轉(zhuǎn)換到頻域。同時(shí)顯示出頻域強(qiáng)度的立體圖。然后用閥值濾波，獲取 +1 級頻譜圖。 （ 4） 顯示灰度 直方圖 ( 此按鈕用于展示二維傅里葉變換后圖像頻譜圖的灰度直方圖，為下一步 濾波窗口 設(shè)計(jì)的閥值選擇提供參數(shù)。 （ 5） 邊緣提取（ 此按鈕用于展示使用閥值選擇后得出的自適應(yīng) 濾波窗口 所占像素大小范圍，邊緣輪廓。 （ 6） 邊緣模糊（ 此按鈕用于展示使用均值平滑算子進(jìn)行 邊緣模糊 后獲得 的自適應(yīng) 濾波窗口 。 （ 7） 獲取相位（ 此按鈕用于實(shí)現(xiàn) 理部分的演算，繼而獲得被調(diào)制但未展開的相位圖。 （ 8） 相位展開（ 此按鈕用于對上 一步中獲得的相位進(jìn)行解包，繼而獲得連續(xù)變化的相位，并用三維圖像顯示被測物體三維形貌重構(gòu)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)分析 均勻平滑算子不同像素取值實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比 在確定了自適應(yīng)空間 濾波窗口 的輪廓后，雖然 濾波窗口 能夠很好地與包含了物體形貌信息的 +1 級頻譜島形狀吻合，但該 濾波窗口 的邊緣突變，需要進(jìn)行邊緣平滑，以減少振鈴效應(yīng)。文中采用的 NN 均勻平滑算子通過選擇平滑像素的數(shù)目（參數(shù) N 應(yīng)為大于 317 的 奇 數(shù)）來控制平滑范圍。 在邊緣平滑的操作中 N 的取值 非常多， 在此不一一列舉所有數(shù)值， 下面取 其中較具代表意義的三個(gè) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果作為說明 。 圖 使用 99 均勻平滑算子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于對 濾波窗口 邊緣的平滑效果較差， 輪廓面較為生硬， 形貌重構(gòu)效果與使用矩形窗口 濾波窗口 相近。 圖 9 像素平滑范圍效果圖 圖 使用 3535 均勻平滑算子的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于對 濾波窗口 邊緣起到明顯的平滑效果，同時(shí)保留了 +1 頻譜島中包含有物體信息的 部分 ，形貌重構(gòu)效果 較為精確平滑，去除了大部分噪聲干擾。 圖 535 像素 平滑范圍效果圖 圖 使用 6161 均勻平滑算子 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于對 濾波窗口 邊緣起到強(qiáng)烈的平滑效果，同時(shí)湮沒了 +1 頻譜島中包含有物體信息的部分，使得形貌重構(gòu)效果嚴(yán)重失真。 18 圖 6161 像素平滑范圍效果圖 波窗口 與邊緣漸變自適應(yīng) 濾波窗口 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比 下面兩圖為使用不同的 濾波窗口 得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過對比兩圖可以看出，使用邊緣漸變自適應(yīng) 濾波窗口 的物體重構(gòu)效果比使用傳統(tǒng)的矩形窗口 濾波窗口 效果更好，重構(gòu)的對象物體輪廓更清晰，同時(shí)有效去除了部分噪聲的干擾。 圖 形窗口 濾波窗口 實(shí)現(xiàn)的傅里葉輪廓變換效果 19 圖 緣漸變自適應(yīng) 濾波窗口 實(shí)現(xiàn)的傅里葉輪廓變換效果 5 總結(jié)與展望 本文由傅里葉輪廓變換術(shù)濾波環(huán)節(jié)入手，介紹了一種有利于實(shí)現(xiàn)三維形貌測量全自動(dòng)化，并且有效減少干擾噪聲以及振鈴效應(yīng)的邊緣漸變自適應(yīng) 濾波窗口 。相對于傳統(tǒng)人工選擇的窗口 濾波窗口 ，本文提出的自適應(yīng) 濾波窗口 能夠在頻譜圖中自動(dòng)精確地找出包含有物體形貌信息的 +1 級頻譜島并生成與其形狀輪廓相適應(yīng)的濾波窗口，對于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化多幅動(dòng)態(tài)圖像測量具有重要意義。然后本文還提出了使用均勻平滑算子對自適應(yīng) 濾波窗口 邊緣進(jìn)行平滑，以減少由于邊緣突變而引起的 振鈴效應(yīng)。 最后 通過實(shí)驗(yàn)證明， 該 濾波窗口 的確能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期的效果。 但由于時(shí)間關(guān)系，該 濾波窗口 設(shè)計(jì)還存在缺陷有待解決。例如在通過灰度直方圖閥值選擇確定 濾波窗口 輪廓的環(huán)節(jié)中，閥值的選擇未能完全實(shí)現(xiàn)對其他級頻譜島信號干擾的最小化 、 均值平滑算子導(dǎo)致 濾波窗口 邊緣漸變較為生硬 等問題。 在未來針對邊緣漸變自適應(yīng) 濾波窗口 的進(jìn)一步研究中， 這些問題將會(huì)得到解決，屆時(shí)，邊緣漸變自適應(yīng) 濾波窗口 也將會(huì)真正投入到生產(chǎn)應(yīng)用中，發(fā)揮其真正的價(jià)值。20 致 謝 在本文的最后，我要向我的導(dǎo)師翁嘉文老師表示最大的謝意與敬意。在這將近半年 的時(shí)間里，我從一個(gè)對 濾波窗口 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)完全為零的新手到一個(gè)能夠 按照 預(yù)期 目標(biāo)實(shí)現(xiàn)一款 濾波窗口 的畢業(yè)生，翁老師給了我很大的支持和幫助。在前期理論完善和程序設(shè)計(jì)的過程中，她利用在相關(guān)方面研究的經(jīng)驗(yàn)，諄諄善誘，多次為在黑暗中摸索的我指明了前進(jìn)的方向。在