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系統識別號 U0002-0609201814254000
中文論文名稱 數位相移條紋投影術應用於三維指紋輪廓量測
英文論文名稱 Three-dimensional fingerprint profilometry using digital phase-shifting fringe projection
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 劉諺融
研究生英文姓名 Yen-Jung Liu
學號 605350148
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-07-06
論文頁數 109頁
口試委員 指導教授-劉承揚
委員-趙全鋐
委員-陳登豪
中文關鍵字 三維曲面量測  立體顯微術  指紋量測 
英文關鍵字 Three-dimensional surface measurement  Stereocopy  fingerprint 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究成功使用數位相移條紋投影顯微系統,量測三維指紋輪廓,以及使用數位相移條紋投影系統,量測臉部三維輪廓。指紋量測系統部分結合數位攝影機、縮小成像之鏡組、立體顯微鏡及數位投影機。臉部量測使用數位投影機及數位攝影機。本研究使用自行開發之程式,使用黑白、紅黑、綠黑、藍黑相間之餘弦條紋、七步相位移法、路徑獨立之相位展開技術等,分析四種顏色與黑色相間條紋與其在不同週期下,對於指紋的影響,其20pixel條紋的指紋分變率達到0.05微米,並且成功測試七步相移法用於量測臉部表面輪廓及三維曲面。未來將可應用在大量指紋建檔,及臉部辨識,方便協尋失智老人、犯人捕捉等。
英文摘要 This research applies digital phase-shift fringe projection microscopy system that measures three-dimensional finger print outline, and digital phase-shift fringe projection system. In the hardware section, the system integrated with a CCD camera, image shrink optical lenses, stereo microscope, and digital projector. Moreover, facial recognition is consisted of digital projector and digital camera. This research is also applied self-developed application that is included black-and-white, red-and-black, green-and-black, and blue-and-black cosine fringe pattern structure light, seven-step phase-shifting techniques, and path-independent phase unwrapping techniques.to analyze the effects on finger prints under four-color-and-black stripes. The resolution of those 20-pixel stripes reach 0.05 μm, and technique is successfully tested on measuring surface outline and three-dimensional curved surface which can be applied to establishing finger-printed files and facial recognition to help searching demented elderly and apprehending suspects.
論文目次 目錄
誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VII
表目錄 XII
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 論文架構 13
第2章 相位移技術原理 14
2.1 相位量測技術 14
2.1.1 相位移技術 14
2.2 結構光理論 17
2.3 數位相位移法 18
2.3.1 七步相移法 19
2.4 相位展開技術 20
2.5 相位高度值換算 23
2.6 參考平面扣除法 25
第3章 相位移量測系統 28
3.1 指紋拍攝之系統架構 28
3.1.1 結構光源 29
3.1.2 攝影機 30
3.1.3 條紋影像縮小鏡組 33
3.2 臉部量測之系統架構 34
3.2.1 影像擷取 35
3.3 多步相位移之運算程式 36
3.4 實驗步驟 37
3.4.1 指紋量測 37
3.4.2 臉部量測 38
第4章 實驗結果 40
4.1.1 紅黑週期0.73mm條紋 40
4.1.2 紅黑週期1.3mm條紋 46
4.1.3 綠黑週期0.73mm條紋 52
4.1.4 綠黑週期1.3mm條紋 58
4.1.5 藍黑週期0.73mm條紋 64
4.1.6 藍黑週期1.3mm條紋 70
4.1.7 黑白週期0.73mm條紋 76
4.1.8 黑白週期1.3mm條紋 82
4.2 指紋壓於0.5mm薄玻璃 88
4.2.1 黑白週期0.73mm條紋 88
4.2.2 黑白週期1.3mm條紋 94
4.3 臉部量測 100
第5章 結論與未來展望 105
5.1 結論 105
5.2 未來展望 105
參考文獻 106


圖目錄
圖 1 1 硬幣表面[31] 4
圖 1 2 數字99三維曲面[31] 5
圖 1 3 相位移干涉光學量測系統示意圖[31] 5
圖 1 4 三維形狀量測系統架構[6] 6
圖 1 5 影像重建3D模型: (a)3D影像上色(b)實際影像[6] 6
圖 1 6 系統架構圖[32] 7
圖 1 7 探針管架構圖[32] 7
圖 1 8 量測直徑8 mm標準圓球: (a)直徑8 mm圓球(b)相位還原(c)三維表面輪廓(d)曲面圖[32] 8
圖 1 9 三維量測設備架構圖[5] 9
圖 1 10 計算後之最佳三條紋術: (a)25 (b)24 (c)20 (d)相位展開圖[5] 9
圖 1 11 相位移干涉術應用於顯微鏡系統架構圖[33] 10
圖 1 12 使用SVPI技術: (a)為一般條紋圖投影在物件上(b)影像還原後之圖像 (c)使用SVPI技術至曝光處(d)將曝光處影像還原後之圖像[33] 10
圖 1 13 錫球之表面高度: (a)三維表面量測結果(b)錫球高度剖面之曲線[33] 11
圖 1 14 三色條紋示意圖[43] 12
圖 1 15 RGB三通道擷取結果:(a)紅色通道 (b)綠色通道 (c)藍色通道[31] 13
圖 1 16 RGB三步相位移之數位條紋投影系統 13
圖 2 1 餘弦條紋的強度分布示意圖 16
圖 2 2 數位條紋投影架構圖 17
圖 2 3 七步相移條紋圖 20
圖 2 4 反正切函數之分子分母正負號求得2π模數示意圖 (a)象限判別圖 (b)π模數轉換2π模數[38] 21
圖 2 5 相位包裹及相位展開示意圖 21
圖 2 6 3D列印條紋之相位包裹圖 22
圖 2 7 條紋投影系統之光學幾何關係[39] 23
圖 2 8 參考平面扣除法流程 26
圖 2 9 M2螺紋及平坦面之三步相移量測實驗照片[45] 27
圖 2 10三步相移之相位展開圖:(a)M2螺絲量測(b)平坦面量測 27
圖 3 1指紋量測系統架構示意圖 28
圖 3 2指紋量測系統架構圖 28
圖 3 3 DLP投影機 29
圖 3 4 CCD相機 [45] 31
圖 3 5 透鏡之光路模擬 [45] 33
圖 3 6 80 mm雙凸、50 mm雙凹及80 mm平凸透鏡[45] 33
圖 3 7 透影條紋數目(a)縮小前(b)縮小後[45] 34
圖 3 8 臉部量測系統架構示意圖 34
圖 3 9臉部量測系統架構圖 35
圖 3 10 AT-200CL之CCD[43] 35
圖 3 11 多步相位移之影像處理程式介面 36
圖 3 12 指紋量測實驗步驟 38
圖 3 13 臉部量測實驗步驟 39
圖 4 1 紅黑週期0.73mm條紋實驗圖 40
圖 4 2紅黑週期0.73mm條紋解包裹後相位包裹圖 41
圖 4 3紅黑週期0.73mm條紋立體相位分布圖 41
圖 4 4紅黑週期0.73mm條紋相位還原圖 42
圖 4 5 紅黑週期0.73mm條紋絕對相位圖 43
圖 4 6 紅黑週期0.73mm條紋基準面絕對相位圖 43
圖 4 7紅黑週期0.73mm條紋實驗結果圖(a) 44
圖 4 8 紅黑週期0.73mm條紋實驗結果圖(b) 44
圖 4 9 紅黑週期0.73mm條紋剖面圖 45
圖 4 10紅黑週期1.3mm條紋實驗圖 46
圖 4 11紅黑週期1.3mm條紋解包裹後相位包裹圖 47
圖 4 12紅黑週期1.3mm條紋立體相位分布圖 47
圖 4 13紅黑週期1.3mm條紋相位還原圖 48
圖 4 14 紅黑週期1.3mm條紋絕對相位圖 49
圖 4 15 紅黑週期1.3mm條紋基準面絕對相位圖 49
圖 4 16紅黑週期1.3mm條紋實驗結果圖(a) 50
圖 4 17 紅黑週期1.3mm條紋實驗結果圖(b) 50
圖 4 18紅黑週期1.3mm條紋剖面圖 51
圖 4 19綠黑週期0.73mm條紋實驗圖 52
圖 4 20綠黑週期0.73mm條紋解包裹後相位包裹圖 53
圖 4 21綠黑週期0.73mm條紋立體相位分布圖 53
圖 4 22綠黑週期0.73mm條紋相位還原圖 54
圖 4 23 綠黑週期0.73mm條紋絕對相位圖 55
圖 4 24 綠黑週期0.73mm條紋基準面絕對相位圖 55
圖 4 25 綠黑週期0.73mm條紋部分剖面圖 56
圖 4 26綠黑週期0.73mm條紋實驗結果圖(a) 57
圖 4 27 綠黑週期0.73mm條紋實驗結果圖(b) 57
圖 4 28綠黑週期1.3mm條紋實驗圖 58
圖 4 29綠黑週期1.3mm條紋解包裹後相位包裹圖 59
圖 4 30綠黑週期1.3mm條紋立體相位分布圖 59
圖 4 31綠黑週期1.3mm條紋相位還原圖 60
圖 4 32 綠黑週期1.3mm條紋絕對相位圖 61
圖 4 33 綠黑週期1.3mm條紋基準面絕對相位圖 61
圖 4 34綠黑週期1.3mm條紋實驗結果圖(a) 62
圖 4 35綠黑週期1.3mm條紋實驗結果圖(b) 62
圖 4 36 綠黑週期1.3mm條紋部分剖面圖 63
圖 4 37藍黑週期0.73mm條紋實驗圖 64
圖 4 38藍黑週期0.73mm條紋解包裹後相位包裹圖 65
圖 4 39藍黑週期0.73mm條紋立體相位分布圖 65
圖 4 40藍黑週期0.73mm條紋相位還原圖 66
圖 4 41藍黑週期0.73mm條紋絕對相位圖 67
圖 4 42 藍黑週期0.73mm條紋基準面絕對相位圖 67
圖 4 43 藍黑週期0.73mm條紋部分剖面圖 68
圖 4 44藍黑週期0.73mm條紋實驗結果圖(a) 69
圖 4 45 藍黑週期0.73mm條紋實驗結果圖(b) 69
圖 4 46藍黑週期1.3mm條紋實驗圖 70
圖 4 47藍黑週期1.3mm條紋解包裹後相位包裹圖 71
圖 4 48 藍黑週期1.3mm條紋相位立體分布圖 71
圖 4 49 藍黑週期1.3mm條紋相位還原圖 72
圖 4 50 藍黑週期1.3mm條紋絕對相位圖 73
圖 4 51 藍黑週期1.3mm條紋基準面絕對相位圖 73
圖 4 52 藍黑週期1.3mm條紋部分剖面圖 74
圖 4 53藍黑週期1.3mm條紋實驗結果圖(a) 75
圖 4 54藍黑週期1.3mm條紋實驗結果圖(b) 75
圖 4 55黑白週期0.73mm條紋實驗圖 76
圖 4 56黑白週期0.73mm條紋解包裹後相位包裹圖 77
圖 4 57黑白週期0.73mm條紋立體相位分布圖 77
圖 4 58黑白週期0.73mm條紋相位還原圖 78
圖 4 59 黑白週期0.73mm條紋絕對相位圖 79
圖 4 60 黑白週期0.73mm條紋絕對相位圖 79
圖 4 61 黑白週期0.73mm條紋部分剖面圖 80
圖 4 62黑白週期0.73mm條紋實驗結果圖(a) 81
圖 4 63黑白週期0.73mm條紋實驗結果圖(b) 81
圖 4 64黑白週期1.3mm條紋實驗圖 82
圖 4 65黑白週期1.3mm條紋解包裹後相位包裹圖 83
圖 4 66黑白週期1.3mm條紋立體相位分布圖 83
圖 4 67黑白週期1.3mm條紋相位還原圖 84
圖 4 68 黑白週期1.3mm條紋絕對相位圖 85
圖 4 69 黑白週期1.3mm條紋基準面絕對相位圖 85
圖 4 70黑白週期1.3mm條紋部分剖面圖 86
圖 4 71黑白週期1.3mm條紋實驗結果圖(a) 87
圖 4 72黑白週期1.3mm條紋實驗結果圖(b) 87
圖 4 73指紋壓於玻璃,黑白週期0.73mm條紋實驗圖 88
圖 4 74指紋壓於玻璃,黑白週期0.73mm條紋解包裹後相位包裹圖 89
圖 4 75指紋壓於玻璃,黑白週期0.73mm條紋立體相位分布圖 89
圖 4 76指紋壓於玻璃,黑白週期0.73mm條紋相位還原圖 90
圖 4 77指紋壓於玻璃,黑白週期0.73mm條紋絕對相位圖 91
圖 4 78指紋壓於玻璃,黑白週期0.73mm條紋基準面絕對相位圖 91
圖 4 79指紋壓於玻璃,黑白週期0.73mm條紋部分剖面圖 92
圖 4 80指紋壓於玻璃,黑白週期0.73mm條紋實驗結果圖 93
圖 4 81指紋壓於玻璃,黑白週期1.3mm條紋實驗圖 94
圖 4 82指紋壓於玻璃,黑白週期1.3mm條紋解包裹後相位包裹圖 95
圖 4 83指紋壓於玻璃,黑白週期1.3mm條紋立體相位分布圖 95
圖 4 84指紋壓於玻璃,黑白週期1.3mm條紋相位還原圖 96
圖 4 85指紋壓於玻璃,黑白週期1.3mm條紋絕對相位圖 97
圖 4 86指紋壓於玻璃,黑白週期1.3mm條紋基準面絕對相位圖 97
圖 4 87指紋壓於玻璃,黑白週期1.3mm條紋部分剖面圖 98
圖 4 88指紋壓於玻璃,黑白週期1.3mm條紋實驗結果圖 99
圖 4 89 臉部量測實驗圖 100
圖 4 90臉部量測解包裹後相位包裹圖 101
圖 4 91臉部量測立體相位分布圖 101
圖 4 92臉部量測相位還原圖 102
圖 4 93臉部量測絕對相位圖 103
圖 4 94臉部量測基準面絕對相位圖 103
圖 4 95臉部量測剖面圖 104
圖 4 96臉部量測實驗結果圖與剖面圖做對比 104

表目錄
表 3 1 DLP投影機規格表 30
表 3 2 CCD相機規格表 32

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