[发明专利]一种基于散斑剪切干涉的计量曲面物体离面位移方法

权利要求书

1.一种基于散斑剪切干涉的计量曲面物体离面位移方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、投影仪投出正弦条纹到被测物表面，由CCD相机采集受被测物调制后的正弦条纹图并进行灰度处理；

S2、利用相移法对CCD相机采集的受调制的投影条纹图像提取包裹相位，结合多频外插法进行解包裹计算，得到绝对相位信息,获取物体相对相机的三维坐标；

S3、利用PCL(Point Cloud Learning)对重建的点云数据集中的三维模型进行法向量估计，并计算出被测物表面法向量相对CCD相机光轴的夹角；

S4、激光器投射激光到被测物表面，通过对被测物施加外部载荷，由CCD相机分别采集被测物表面变形前后的散斑包裹相位图并进行灰度处理和滤波处理；

S5、利用相移法对CCD相机采集的散斑包裹相位图提取相位，并利用最小二乘解包裹算法对散斑包裹相位图进行相位展开，获得解包后相位分布信息，代入波长、剪切量等参数计算得到所测得的表面离面位移信息（即光程差）；

S6、建立激光散斑所测的离面位移测量值（即光程差）与被测物体表面实际变形的离面位移之间的几何关系；

S7、根据S6中的几何关系，利用被测物体表面法向量相对CCD相机光轴的夹角 对散斑剪切干涉所测得的离面位移进行修正，求得实际的离面位移 。

2.根据权力要求1所述的一种基于散斑剪切干涉的计量曲面物体离面位移方法，其特征在于，所述步骤S2中，求解绝对相位信息的过程如下：

相机采集的相位条纹图的数学表达式为：

式中， 为条纹光强， 为图像像素坐标， 为背景光强分布， 为光强调制度， 为待求相位， 为相移量，其中 ；

使用相移法求取相位，解得：

；

利用多频外插方法对其相位展开得到绝对相位 ，相位分布与高度关系为：

；

式中：为物体的高度信息分布，为被测物的相位变化量，为相机光心到参考平面的距离，为投影仪光源到相机光心的距离，为投影条纹间距。

3.根据权力要求1所述的一种基于散斑剪切干涉的计量曲面物体离面位移方法，其特征在于，所述步骤S3中，对点云数据集进行法向量估计，基于局部平面拟合，创建任一点临近元素的协方差矩阵，求其最小特征值对应的特征向量即为该局部平面法向量；对于每一个点 ，其对应的协方差矩阵为:

；

；

式中， 是点 邻近点的数目， 表示最邻近元素的三维质心，分别表示为协方差矩阵的第 个特征值和特征向量，当法向方向朝相机方向时，满足,为点云数据集的视点。

4.根据权力要求1所述的一种基于散斑剪切干涉的计量曲面物体离面位移方法，其特征在于，所述步骤S3中，计算被测物表面法向量相对CCD相机光轴的夹角 ：

；

式中，为被测物表面法向量，为CCD相机光轴方向的单位向量。

5.根据权利要求1所述的一种基于散斑剪切干涉的计量曲面物体离面位移方法，其特征在于，所述步骤S5中，通过对散斑包裹相位图进行解包裹计算，得到相位分布信息和离面位移导数 （方向剪切）之间的关系：

对其积分求解离面位移即光程差；

式中，为沿 方向的剪切量， 为CCD相机与光源的夹角，为激光波长。

6.根据权利要求1所述一种基于散斑剪切干涉的计量曲面物体离面位移方法，其特征在于，所述步骤S6中，激光剪切散斑法测量离面位移信息是将变化前后的相位信息进行相减，得到光轴方向的离面位移信息（即光程差），而物体发生微小离面形变时其方向是沿表面法向量方向，故所测得光程差 与实际变形量 之间的关系为：

。