数字激光散斑图像的仿真建模和位移测量算法研究

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数字激光散斑测量法是一种对光学粗糙表面进行无损全场计量的技术，具有实时性好、结构简单、不需光学平滑表面、全场非接触测量等优点。随着数字图像技术、激光技术和集成电路技术的迅速发展，激光散斑图像测量技术也向着速度更快、设备更小、方法更新的方向发展，并逐渐地被应用于振动、位移、应变和医学诊断等各方面的测量之中。本文对动态激光散斑进行了建模仿真研究，建立了有效实用的模型：提出了应用激光散斑图像进行位移测量的几种新方法，给出了原理、实验步骤和实验结果，并分析了各算法的特点。本文的主要特色和创新如下： 1.由于目前在动态激光散斑测量的研究中缺少动态激光散斑模型，我们提出了一种基于高斯相关表面的动态激光散斑模型。该模型以高斯相关随机表面作为反射面，得到夫琅和费面上的散斑场，生成具有不同散斑规格(尺寸、亮度、噪声水平和位移量不同)的动态散斑图库，在散斑特性研究和位移测量中起到了较好的作用； 2.针对散斑图像位移测量计算量大、测量时间较长的不足，提出了一种基于傅里叶分析的数字散斑图像位移测量新方法(同频率相位比较法)。该方法可以直接求解亚像素级位移，减少了位移测量的时间。与常规的数字散斑相关测量法(DSCM法)相比，尽管使用的散斑图像面积是DSCM方法的4倍，但测量时间仅为十倍插值DSCM方法的1/80。该方法比较适合在FFT处理芯片或DSP芯片上实现； 3.为了继续提高测量速度、减少图像的采样面积，提出了边缘相关位移测量法。实验及理论分析证明，与DSCM方法相比，所使用的采样面积相当，但运算量减小为DSCM法的2/NMK＾2(其中N为子集边长的像素数，M为搜索范围的像素数，K为插值的倍数)；与同频率相位比较法相比，图像的采样面积减少为1/4左右； 4.为进一步减小散斑图像的数据量，提出了利用激光散斑图像的特征点的极值位移测量法和多层平截算法。其中极值位移测量法通过寻找发生位移前后的两幅数字散斑图像的极值点进行位移测量；多层平截算法则是把数字激光散斑图像的灰度看作三维空间的高度，用不同高度的水平面平截散斑图得到的截值点进行位移测量。以上两种算法运算速度快，能够测量亚像素级的位移，每个像素点的比特位可由原来的8bit减为6bit甚至更少，因而减小了数据量，图像的采样面积降低到17X17像素。

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作者
邱天;
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作者单位

中国科学技术大学;

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授予单位中国科学技术大学;
学科电路与系统
授予学位博士
导师姓名郭立;
年度 2006
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类 TH744.5;
关键词
数字散斑图像; 仿真建模; 位移测量; 数字散斑相关法; 数字散斑边缘法;

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