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第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
年
月
基于结构光多频相移法的煤块表面形貌测量
吴 庆 尉
,
范 海 东
,
关 键
,
吴 迎 春
,
吴 学 成
浙江大学热能工程研究所能源清洁利用国家重点实验室
浙江 杭州
浙江省能源集团有限公司
浙江 杭州
摘要
提出了一种基于结构光多频相移法的相位 校正 算法
基 于相 位梯 度
建 立可 靠度 判 据
将 煤块 有效 测 量区
域内的相位点分成两类
并依次对其进行校正
实验分析了所提结构光投影算法 的适 用性
并测 量该 算法的 精度
实验结果表明
所提方法较好地解决了煤块表面形貌测量中无效相位点的问题
关键词
成像系统
相位校正
多频相移
煤块
结构光测量
中图分类号
文献标识码
doi
:
/
SurfaceProfileMeasurementofCoalBasedonStructuredLi
g
ht
Multifre
q
uenc
y
PhaseGShiftin
g
Techni
q
ue
StateKe
y
Laborator
y
o
f
CleanEner
gy
Utilization
Institute
f
orThermalPowerEn
g
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g
Zhe
j
ian
g
Universit
y
Han
g
zhou
Zhe
j
ian
g
China
Zhe
j
ian
g
Ener
gy
Grou
p
Co敭
LTD敭
Han
g
zhou
Zhe
j
ian
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金
国家
计划
EGmail
引
言
我国是世界最大的煤炭消费国
每年消耗
多
亿吨煤炭
占全球总消耗量的
煤炭的高效 清
洁利用对我国至关重要
煤的燃烧或气化是复杂的
物理化学过程
受热膨胀
挥发分析 出 量
破碎等过
程常常伴随着煤炭 表面形貌 的 变化
对其进行 测 量
有助于人们深入地认识煤燃烧或气化的机理
结构
光投影法常用于测 量漫反射 物 体的表面 形 貌
具有
非接触
精度高
速度快等 优 点
被广泛应 用 于产品
质量控制
生物医学等领域
结构光投影法的基
本原理是从变形条纹中解调出与物体表面形貌相关
的相位信息
根据相位 的 提取原理
结构光投影
法分为傅里叶变换轮廓术
相移法
等类型
常
见的时间相位解包 裹方法有 格 雷码
多频外差 和 多
频相移法
基于多频相移原理的相位解包裹方法
测量稳定性好
常被用于 测 量形状复 杂 的物体
煤
块的表面反射率低
相机获取 的 结构光条 纹 图的
信噪比低
相比于一般的物体
煤块的结构光条纹图
在相位解包裹后含有更多的无效相位点
无效相位点是指不包含待测物体有效信息或者
条纹级次发生错误的相位点
根据无效相位点形成
激 光 与 光 电 子 学 进 展
的原因可以将相位 点分为背 景
阴影和其 他 不正常
的相位点
背景和阴影区域的去除方法有数据调
制度法
和
K
均值聚类法
等
其他不正常相位
点的 校 正 方 法 包 括 基 于 相 位 单 调 性
二 阶 导
数
均方根误差
和可靠度导向
等方法
相
位单调性方法往往需要进行多次重复使用
二阶导数
方法容易将边界相位点和崎岖表面的相位点识别为
无效相位
均方根误差方法中阈值选取比较困难
对
于可靠度导向方法
可靠度判据和校正路径的选取对
相位校正的速度和结果都会有很大的影响
本文使用结构光相移法和多频相位解包裹法对
煤块的形貌进行测 量
针对煤块 表 面反射率 低 的特
点
采用白色背景
从背景和阴影中分割出煤块的有
效测量区域
针对 条纹信噪 比 低
无效相位 点 多的
特点
提出一种改进 的 相位校正 算 法并和几 种 已有
的可靠度导向算法进行对比
基本原理
21
结构光测量原理
对于
N
步 相 移 法
第
n
幅 条 纹 图 的 强 度 分 布
I
n
x
y
表达式为
I
n
x
y
=
I′
x
y
+
I″
x
y
ϕ
x
y
+
δ
n
式中
I′
x
y
为条纹的 背 景强度
I″
x
y
为强度
调制
ϕ
x
y
为 包 裹 相 位
δ
n
为 相 移 量
且
δ
n
n
N
n
N
n
为条纹序数
N
为条纹总
数
相位
ϕ
x
y
包裹在
内
其表达式为
ϕ
x
y
=
-
N
n
=
I
n
δ
n
N
n
=
I
n
δ
n
[ ]
多频相位 解 包裹的原 理
是利用低 频 条 纹 来
指导高频条纹的相位展开
假设低频条纹的条纹间
距为
T
绝对相位为
Φ
x
y
高频条纹的条纹间
距为
T
T
T
包裹相位为
ϕ
x
y
则高 频
条纹的级次为
k
x
y
=
Φ
x
y
×
T
T
-
ϕ
é
ë
ê
ê
ù
û
ú
ú
式中
下标
和
分别代表 低 频和高频
表
示四舍五入取整
高频条纹的绝对相位可表示为
Φ
x
y
=
ϕ
x
y
+
×
k
x
y
使用
种不同 频率的结 构 光条纹图
条纹间距
分别为
T
T
和
T
T
T
T
为了兼顾 测
量速度和精度
T
和
T
条纹采用
步相移
T
条
纹采用
步 相 移
包 裹 相 位 分 别 为
ϕ
ϕ
和
ϕ
在测量 视 场 内
包 裹 相 位
ϕ
等 于 其 绝 对 相 位
Φ
使用
Φ
对
ϕ
进行相位解包裹得到绝对相位
Φ
使
用
Φ
对
ϕ
进行相位解包裹得到
Φ
Φ
代表煤块
的表面形貌信息
22
煤块区域的分割提取
煤块 表面的反射 率低
故使用白色 背景来增大
煤块与背景的灰度差别
使用迭代阈 值法对
T
条
纹的背景强度
I′
x
y
进行阈值 分 割
初始迭代 阈
值选取
I
的平均灰度强度
即
I′
=
N
N
n
=
I
n
数据调制度
γ
x
y
反 映 相 位 点 的 可 靠 度
表
达式为
γ
x
y
=
I″
x
y
I′
x
y
阴影区域的
γ
x
y
很低
使用
γ
x
y
去 除 阴 影
区域
选取其中最大 连 通域作为 煤 块的有效 测 量区
域
掩 模 图 用
M
表 示
M
代 表 煤 块 区 域
M
代表背景和阴影区域
23
无效相位点的校正
相机 拍摄到的煤 块条纹图的 信噪比较低
煤块
测量区域 内 的
Φ
x
y
和
ϕ
均 存 在 相 位 误 差
T
T
的比值会 将
Φ
x
y
的 误 差 进 一 步 放 大
当
式中
Φ
x
y
T
T
ϕ
误差的绝对 值
大于等于
时
得到的条纹级次将发生错误
定义解包裹相位
Φ
此处
Φ
指代
Φ
下同
与其
邻域相位点 的 最 大 绝 对 相 位 差 为 相 位 的 可 靠 度 判
据
表达式为
Q
i
j
=
Δ
x
i
j
Δ
y
i
j
式中
i
和
j
分别代表行和列序号
Δ
x
i
j
和
Δ
y
i
j
分别为
Φ
i
j
在
x
和
y
方向的最大 偏导数的绝
对值
表达式为
Δ
x
i
j
=
Φ
i
j
-
Φ
i
j
-
Φ
i
j
-
Φ
i
j
+
Δ
y
i
j
=
Φ
i
j
-
Φ
i
-
j
Φ
i
j
-
Φ
i
+
j
ì
î
í
ï
ï
ï
ï
ï
ï
且
M
i
j
Q
i
j
的值越大
则
Φ
i
j
的可
靠度越低
设 立 阈 值
Q
根 据 可 靠 度 将 煤 块 有 效
测量区域内 的 所 有 相 位 点 分 成 两 类
当
Q
i
j
Q
时
Φ
i
j
为第一类相位点
当
Q
i
j
Q
时
Φ
i
j
为第二类相位点
由于条纹级 次发生错误
有效测量区域内的无效相位点的相位与校正相位的
差值为
的整数倍
且不等于
考虑邻域相位 点
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