基于计算机三维结构的物体三维光位相建模方法与流程

本发明涉及一种基于计算机三维结构的物体三维光位相建模方法，可用于光学干涉测量中位相包裹的正确展开及后续的测量结果与标准设计模型的精确比对，用来检测被测物体的加工误差。

背景技术：

随着制造技术的提高，特别是智能制造技术的应用，计算机三维辅助设计(3D－CAD)、高精度自动加工技术在航空、航天、汽车、机床等重型装备制造行业的大规模的应用，使得企业产品的设计效率得到了极大的提高，3D模型的精度也越来越高。同时，由于计算机辅助设计功能多样化和制造过程中的智能化不断加强，加工件的精度也达到极高的水平。这样，对于精密加工件的检测也提出了较高要求，特别是测量所得三维形貌与其标准3D设计模型的比对。光学干涉测量方法,如经典干涉、全息干涉、散斑干涉和云纹干涉等，通过记录干涉光场的强度，从中提取与光程有关的位相信息来得到被测表面的三维形貌信息，因其具有灵敏度高、非接触、全场测量、分辨率高、精度高等优点，已成为测量精密机械结构、形状等物理量的重要和常用手段。将干涉测量结果与计算机辅助设计3D实体模型结合，可以定量比对实际加工件与标准模型的匹配程度，精确再现加工件的形貌参数与加工误差。然而由于精密加工件的表面高度跃变，用光学干涉测量再现得到的相位是一个包裹位相。包裹相位受到[-π，π]周期的约束，难以反应被测物体真实三维形貌，也难以与标准3D实体模型进行直接比对。传统的相位解包裹方法包括：数值解包裹和光学解包裹。数值解包裹主要包括基于路径解包裹算法和最小L^p范数法等，该算法适用于光滑、连续表面的解包裹，当测量表面存在高度跃变或测量噪声过大时，该算法就难以解决相位包裹问题； 光学解包裹主要包括双波长相位解包裹和多波长相位解包裹，该方法通过构建合成波长，可以一定范围内扩大测量的纵向深度，然而对于高度跃变较大的精密加工器件，此方法仍然难以达到较好的测量效果。

技术实现要素：

本发明涉及一种基于计算机三维结构的物体三维光位相建模方法，技术解决方案是：

(1)点云化计算机三维设计实体模型。

(2)以二维矩阵形式表示计算机三维设计实体表面高度起伏分布。

(3)建立计算机三维设计实体表面三维光位相模型。

其具体实施步骤如下：步骤(1)中所述的“点云化计算机三维设计实体模型”，对计算机三维设计实体模型进行三角网格精确逼近，提取三角网格文件中点云的坐标位置，用点云坐标数据表示实体的表面高度起伏形态。

步骤(2)中所述的“以二维矩阵形式表示计算机三维设计实体表面高度起伏分布”，基于实际测量过程中位相是以二维矩阵的格式存储，将三维坐标点云以一定基准投影到平面上，形成包含高度信息的二维矩阵形式，便于与后续实际测量位相进行匹配和比对。

步骤(3)中所述的“建立计算机三维设计实体表面三维光位相模型”，根据光学干涉测量中对于反射物光波的获取原理，利用光程与位相的关系，将包含高度信息的矩阵模型转化为一定波长下的三维位相差分布模型。

本发明原理较为简单，实现较为便捷。通过分析光学测量中位相与测量光程的关系，对物体标准三维设计实体模型进行测量过程模拟，获取了代表模型表面高度分布的准确位相差分布。该模型标准位相差分布可以为实际测量的位相包裹做展开指导，同时可以将测量形貌结果与标准设计模型进行比对，达到精确检测的目的。

具体实施方式

本发明的技术解决方案为：一种基于计算机三维结构的物体三维光位相建模方法，包括以下步骤：

首先，构建计算机精确三维设计实体，作为被测物体的标准设计模型，同时作为被测物体标准模型在计算机虚拟环境中的代表。图1是构建所得计算机辅助设计三维实体模型图。

第二步，根据计算机三维设计实体模型的文件组织方式，将三维设计实体模型转化为高精度、高密度点云数据类型。

STL格式为三维实体模型文件经过三角化处理后得到的模型文件，被广泛地应用于科学计算可视化、计算机动画、虚拟现实及快速成形等技术之中。该格式是一种用许多空间三角形小平面来逼近原CAD实体的数据模型，这种文件格式是将CAD表面离散化为三角形面片。不同精度时有不同的三角形网格划

分。其文件组织结构如下所示：

solid〈name〉

facet normal n1n2n3

outer loop

vertex x1x2x3

vertex x1x2x3

vertex x1x2x3

end loop

end facet

①〈name〉为三维实体模型名称，由用户给定；②n1、n2、n3为该三角面片的单位法矢量的3个分量值；③x1x2x3为三角面片3个顶点的三维坐标值。

通过分析计算机三维设计模型STL数据组织形式，编程读取该格式文件， 以法矢量为标准，对模型进行组织分离、实体分割，去除文件中无关的字符串等信息，提取统一坐标系下一定密度的点云坐标数据，这样就获得了测量表面精确的点云分布展示。

该过程中，点云的密度分布决定了点云数据对计算机三维设计实体的逼近程度。密度越大，近似程度越好，数据的容量也会随之增大，过大的数据量会形成数据的冗余，不利于后续文件的处理。因此，选择合适密度的点云分布至关重要。

第三步，将三维坐标点云以一定基准投影到平面上，形成包含高度信息的二维矩阵形式，便于与后续实际测量位相进行匹配和比对。

第四步，分析干涉测量过程原理及测量结果中位相信息的物理意义，建立与实际测量所得位相物理意义相同的标准设计实体(3D-CAD)光相位模型。图2是模拟反射测量过程示意图。

假定空气折射率为1，可得光程与相位的关系：

式中δ为光程(光走过的路程)，为相位差，λ为测量波长。光学测量过程中，对于反射型物体，当照明方向和观察方向均垂直于相位零平面时，光线所经过的路程为测量表面与探测器高度差的2倍，因此所得相位为：

H为测量表面与探测平面高度差，为相位值，λ为测量波长。因此，相位差与测量表面高度的关系为：

L为测量平面与相位零平面的高度差，h为测量表面高度。在光学干涉测量中，我们的重点在于测量表面位相差值的获取，由于探测平面平行于相位零平面，其高度差为常数，因此位相差信息只与被测表面的高度分布有关。

因此，根据位相所代表的物理意义，对标准三维设计实体(3D-CAD)表面精确高度分布点云数据进行相位转化，成功建立其表面光相位模型分布。图3是利用该方法所得计算机辅助设计实体模型表面光相位模型分布-三维图。

本发明可应用于为测量所得包裹位相提供指导参数，解决因测量表面高度跃变引起的位相包裹问题，提高纵向测量范围。另外，通过将测量结果与该模型比对，可以在非接触、原位检测的前提下，实现被测物体的检测目的，同时，其检测范围也可以控制在一个测量波长范围内，提高了检测精度。