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系統識別號 U0002-1109201714210300
中文論文名稱 多型樣式數位相移條紋投影術應用於三維多樣表面輪廓量測
英文論文名稱 Multi-pattern digital phase-shifting fringe projection for three-dimensional various surface profilometry
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 105
學期 2
出版年 106
研究生中文姓名 王仲毅
研究生英文姓名 Chung-Yi Wang
學號 604350016
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2017-07-11
論文頁數 88頁
口試委員 指導教授-劉承揚
委員-陳登豪
委員-趙全鋐
中文關鍵字 三維曲面量測  數位結構光投影  相位移技術 
英文關鍵字 Three-dimensional surface measurement  Digital structured light  phase-shift technique 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文使用三種波形(餘弦波、方波、三角波)的數位條紋結構光,再加上七步相位移法、相位展開技術、參考平面扣除法來量測不同的三維表面輪廓,量測試件包含半圓形、內凹半圓、方形、三角形等形狀。量測系統是將數位結構光法投影至待測物上,然後以數位攝影機擷取條紋影像,最後使用多步相位移技術計算出物體表面的三維輪廓。實驗結果顯示,不同波形的結構光在量測不同樣式的待測物時會達到不同的效果。餘弦波對於半圓形試件有較小的量測誤差(1.27%),方波則對於方形試件有較小的量測誤差(15.66%),而三角波則對於三角形試件有較小的量測誤差(10.18%)。未來應用於產品的即時檢測時,可針對輪廓形狀來選擇較適合的條紋結構光進行量測,以獲得最小誤差的三維表面輪廓。
英文摘要 In this thesis, different three-dimensional surfaces were measured by three kinds of waveforms (cosine wave, square wave, triangular wave) of digital structured light projection, seven-step phase shifting, phase unwrapping, reference plane subtraction method. The measured objects include semi-circular, concave semi-circular, square and triangle. In this system, digital structured light is projected onto the objects, and then the fringe pattern images are captured with CCD. Finally, the three-dimensional surfaces of the objects are calculated by multi-step phase-shifting. As the results, different objects achieved different effect by using different kinds of waveforms of digital structured light. The semi-circular objects measured by cosine wave have smaller measurement error (1.27%). The square objects measured by square wave have smaller measurement error (15.66%). The triangular objects measured by triangular wave have smaller measurement error (10.18%). In order to get the minimum error of the three-dimensional surfaces profile, it is selected more appropriate fringe pattern structured light to measure according to objects profile, which is used for product immediate detection.
論文目次 目錄
第1章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 4
1.3 研究動機和目的 10
1.4 研究方法 11
1.5 論文架構 12
第2章 相位移干涉術原理 13
2.1 前言 13
2.2 結構光理論 14
2.3 相位量測技術 18
2.3.1 傅立葉轉換法 18
2.3.2 相位移法 19
2.4 相位移法之相位計算公式 22
2.4.1 七步相移法 23
2.5 相位展開技術 25
2.6 相位高度值換算 27
第3章 相位移量測系統 30
3.1 系統架構 30
3.1.1 DLP投影機 31
3.1.2 CCD 攝影機 32
3.1.3 運動機構 33
3.2 實驗步驟 34
第4章 多步相位移量測之結果 35
4.1 量測系統的尺寸校正 35
4.2 消除待測物表面之反射光 37
4.3 待測物的印製─3D列印機 39
4.4 直徑一公分半圓 40
4.5 直徑三公分半圓 45
4.6 邊長一公分的正方形 50
4.7 邊長三公分的正方形 55
4.8 邊長一公分的正三角形 61
4.9 邊長三公分的正三角形 66
4.10 直徑一公分的內凹圓 72
4.11 直徑三公分的內凹圓 77
第5章 結論與未來展望 82
5.1 結論 82
5.2 未來展望 83
參考文獻 84



圖目錄
圖1 1三維量測技術分類圖 2
圖1 2傳統條紋產生之架構 4
圖1 3利用 LDF (Long distance microscope) 的數位條紋投影法 5
圖1 4電阻器外型偵測結果。(a) 原始影像。(b) 重建之2.5D外型。 5
圖1 5影像還原重建後之3D模型: (a)3D影像上色(b)抓取相似之色澤[6] 6
圖1 6三維形狀量測之系統架構[6] 6
圖1 7利用RGB表示三色相位的彩色數位條紋投影法。 7
圖1 8三維量測之硬體設備架構圖[5] 8
圖1 9計算後之最佳三條紋術: (a)25 (b)24 (c)20 (d)相位展開圖[5] 8
圖1 10投影綠色條紋之最佳三條紋數: (a)25 (b)24 (c)20 [5] 9
圖2 1 (a) 餘弦條紋圖 (b)條紋剖面圖 15
圖2 2 (a) 三角條紋圖 (b)條紋剖面圖 16
圖2 3 (a) 方形條紋圖 (b)條紋剖面圖 17
圖2 4餘弦條紋亮度分布示意圖 21
圖2 5七步相移條紋圖 24
圖2 6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[39] 26
圖2 7相位包裹及相位展開示意圖 26
圖2 8條紋投影系統之光學幾何關係 27
圖3 1系統架構圖 30
圖3 2 Acer K132 LED Projector之DLP投影機 31
圖3 3 CCD攝影機 32
圖3 4運動機構 33
圖4 1量測之相位值與校正塊規 35
圖4 2SKD-S2消光劑 37
圖4 3 3D印表機ATOM 2.0 39
圖4 4七步相位移之各相移截圖(a)~(g)為相位量測實際圖(h)為擷取原圖 40
圖4 5 餘弦波相位包裹圖 40
圖4 6 方波相位包裹圖 41
圖4 7 三角波相位包裹圖 41
圖4 8 相位還原圖(a)餘弦波(b)方波(c)三角波 42
圖4 9 三維曲面影像(a)餘弦波(b)方波(c)三角波 43
圖4 10 直徑為一公分的半圓之三種波剖面圖 44
圖4 11七步相位移之各相移截圖(a)~(g)為相位量測實際圖(h)為擷取原圖 45
圖4 12 餘弦波相位包裹圖 45
圖4 13 方波相位包裹圖 46
圖4 14 三角波相位包裹圖 46
圖4 15 相位還原圖(a)餘弦波(b)方波(c)三角波 47
圖4 16 三維曲面影像:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波 48
圖4 17 直徑為三公分的半圓之三種波剖面圖 49
圖4 18七步相位移之各相移截圖(a)~(g)為相位量測實際圖(h)為擷取原圖 50
圖4 19 餘弦波相位包裹圖 50
圖4 20 方波相位包裹圖 51
圖4 21 三角波相位包裹圖 51
圖4 22 相位還原圖:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波 52
圖4 23 三維曲面影像:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波 53
圖4 24 邊長為一公分的正方型之三種波剖面圖 54
圖4 25 七步相位移之各相移截圖(a)~(g)為相位量測實際圖(h)為擷取原圖 55
圖4 26 餘弦波相位包裹圖 56
圖4 27 方波相位包裹圖 56
圖4 28 三角波相位包裹圖 57
圖4 29 相位還原圖:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波。 58
圖4 30 三維曲面影像:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波。 59
圖4 31邊長為三公分的正方形之三種波剖面圖 60
圖4 32 七步相位移之各相移截圖(a)~(g)為相位量測實際圖(h)為擷取原圖 61
圖4 33 餘弦波相位包裹圖 61
圖4 34 方波相位包裹圖 62
圖4 35 三角波相位包裹圖 62
圖4 36 相位還原圖:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波。 63
圖4 37 三維曲面影像:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波。 64
圖4 38 邊長為一公分的正三角形之三種波剖面圖 65
圖4 39 七步相位移之各相移截圖(a)~(g)為相位量測實際圖(h)為擷取原圖 66
圖4 40 餘弦波相位包裹圖 67
圖4 41 方波相位包裹圖 67
圖4 42 三角波相位包裹圖 68
圖4 43 相位還原圖:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波 69
圖4 44 三維曲面影像:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波。 70
圖4 45 邊長為三公分的正三角形之三種波剖面圖 71
圖4 46七步相位移之各相移截圖(a)~(g)為相位量測實際圖(h)為擷取原圖 72
圖4 47 餘弦波相位包裹圖 72
圖4 48 方波相位包裹圖 73
圖4 49 三角波相位包裹圖 73
圖4 50 相位還原圖:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波。 74
圖4 51 三維曲面影像:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波。 75
圖4 52 直徑為一公分的內凹半圓之三種波剖面圖 76
圖4 53 七步相位移之各相移截圖(a)~(g)為相位量測實際圖(h)為擷取原圖 77
圖4 54 餘弦波相位包裹圖 77
圖4 55 方波相位包裹圖 78
圖4 56 三角波相位包裹圖 78
圖4 57 相位還原圖:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波。 79
圖4 58 三維曲面影像:(a)餘弦波,(b)方波,(c)三角波。 80
圖4 59直徑為三公分的內凹半圓之三種波剖面圖 81
表目錄
表1 1研究步驟 11
表3 1投影機規格 31
表3 2運動機構之步進馬達規格 33
表4 1消光劑規格表 38
表5 1誤差值表 83

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