基于结构光的镜面/漫反射复合表面形貌测量

光学三维测量技术以其非接触、无损及快速测量的优势被广泛应用于不同领域。已有的条纹投影和条纹反射测量术分别适用于漫反射表面和镜面表面。然而,航空航天和先进制造中存在许多漫反射和镜面反射表面同时存在的复合反射表面。提出一种基于结构光投影和反射的方法来实现复合表面形貌的快速测量。首先,投影仪投射蓝色正弦条纹图于被测物体表面,同时显示屏显示的红色条纹被镜面部分反射。其次,彩色相机采集经被测表面调制的变形条纹图。然后,从相机不同颜色通道中提取对应不同类型反射表面的变形条纹,并计算变形条纹图的绝对相位。最后,通过系统标定建立相位信息与深度之间的直接关系,得到被测复合表面的三维形貌。实验结果表明:该方法不仅能够有效地实现非连续复合表面物体的测量,还能够同时测量独立的漫反射和镜面反射表面的三维形貌。     

基于条纹投影和双屏透射显示的复合表面三维测量方法

光学三维形貌测量技术具有无损、快速、高精度等优势，被广泛应用于不同领域。工业生产及现实生活中的镜面/漫反射复合表面三维形貌的快速、高精度测量一直是未解决的难题。提出一种基于条纹投影和双屏透射显示的镜面/漫反射复合表面测量方法，并对系统的非线性响应进行了补偿。首先，普通屏和透明屏分别显示绿色条纹，被镜面部分反射，投影仪投射蓝色正弦条纹图到漫反射部分；其次，相机采集不同颜色的变形条纹图；然后，三维标定获取系统参数，通过相位与深度的关系恢复物体的三维形貌；最后，校正系统的非线性响应误差并进行补偿，提高三维测量精度。实验结果表明：该方法能够实现非连续复合表面物体三维形貌的高精度测量。     

结构光三维成像技术

近年来,结构光三维成像技术被深入研究和广泛应用,通常采用的技术方案是投影一个载频条纹到被测物体表面,利用成像设备从另一个角度记录受被测物体高度调制的变形条纹图像,再从获取的变形条纹图中数字解调重建出被测物体的三维数字像。与全息三维成像对应,结构光三维成像过程也是两步成像过程,先获取物体被结构光条纹调制的二维图像,再从包含变形条纹的二维像中通过数字重建方法得到物体的三维数字像。主要回顾了本课题组在基于结构光三维成像技术研究中的进展,讨论了基于傅里叶条纹分析、相移条纹分析和动态过程三维成像的方法,给出了相关应用的实验结果,分析了结构光三维成像的特点以及该领域今后的发展动向。     

三维小视场成像系统

研究了一套投影正弦光栅条纹,测量表面有大梯度或非连续结构等复杂形貌微小物体的三维测量系统。针对所测量物体大小,通过将体视显微镜、相机和投影仪组合,研制了具有较小视场的条纹投影系统。软件产生具有最佳条纹个数的三组正弦条纹图,每组包含四个彼此间有90相位移动的条纹。根据所测量物体表面颜色和纹理特性,选择投影系统的合适颜色通道投射软件所产生的正弦条纹序列到被测物表面。相机从另一角度获取经被测表面调制的变形条纹图。通过四步相移和最佳条纹选择方法分别计算得到折叠相位图和展开相位图。利用水平精密移动台定位一水平白板到几个已知位置,建立绝对相位和深度之间的关系,获得系统深度方向的数据。微小物体的三维形貌测量实验证明了所研制成像系统的可行性和准确性。     

基于多频相移的相位偏折测量透明物体表面三维形貌

光学三维测量中的相位偏折测量术以其快速、高精度、稳定抗干扰的优点,在光学表面测量、快速检测等领域得到广泛应用。透明物体因其上下表面的折射和反射,导致相机采集到不同表面反射叠加的混合条纹,传统的相位偏折测量术难以对其进行有效的三维测量。为解决该问题,文中提出一种基于多频相移的相位偏折法测量透明物体的表面三维形貌。首先,显示屏显示多种不同频率与多步相移结合的正弦条纹,从另外一个角度相机采集物体表面反射的混合条纹。然后,利用最小二乘法迭代将混合条纹进行分离,得到上下表面折叠相位并展开。接着,通过梯度标定确定相位与梯度的关系,根据梯度积分恢复透明物体表面的三维形貌。最后,实验证明所提方法能够有效实现混合条纹的分离,实测透明玻璃板上表面的平均误差从32.4μm减少到5.1μm,结果验证了混合条纹分离方法的有效性,提升了透明物体表面三维形貌测量精度。与已有方法相比,文中方法可以有效避免初始相位值偏差较大带来的影响,缩短计算时间,适用于不同形状透明物体表面三维形貌的测量。     

基于条纹投影的双目结构光成像系统

研究了一种 基于条纹投影 的双目三维成像方法,实现对表面有大梯度或非连续等复杂形貌物体的测量。计算机软件产 生的正弦条纹 经DLP投影仪投射到被测物体表面,左右两个CCD相机同时拍摄经被测物体表面调制的变形条 纹图。通过 四步相移和最佳条纹选择方法分别计算得到折叠相位图和展开相位图。建立绝对相位与深度 之间的关系, 得到两组不同坐标系下的三维点云数据。提出一种改进的最近点迭代(ICP)算法,在每一次 迭代过程中剔除 不可见点和噪声点,将两组点云数据转换到同一坐标系中。三维形貌测量实验证明了所研制 成像系统的可 行性和准确性。视场范围内的最大测量误差为0.072mm。     

用条纹时问平均法分析薄膜振动模式

提出一种对薄膜的振动模式进行定性分析和识别的方法一结构光条纹时间平均法.该方法采用结构光三维传感技术,用低帧频商用CCD相机记录由光栅投影到振动薄膜而上、因薄膜振动导致条纹局邴模糊的一系列变形正弦条纹,经过傅里叶变换、频谱滤波、逆傅里叶变换、取模等处理得到被测薄膜的振动模式分布.本文给出了该方法的理论分析,推导了相应的计算公式.计算机模拟和实验验证了该方法的可行性:能够对在不同激励频率下薄膜的振动模式进行定性分析和识别.在实验中,如果连续改变振动物体的振动激励频率,可以清楚地观察到物体振动模式的变换过程.实验证明,本文方法具有数据获取速度快,全场测量,实验装置简单等优点.     

深度学习精确相位获取的离焦投影三维测量

数字光栅投影三维测量技术,通过离焦投影二值光栅条纹,生成三维测量所需正弦光栅条纹,能够实现超高投影速度,在快速三维测量领域具有极大潜力。但是,二值光栅条纹不可避免地包含高次谐波,导致计算所得相位包含相位误差,进而降低了快速三维测量精度。提出了一种基于深度学习精确相位获取的离焦投影三维测量方法,通过构建含噪声相位到精确相位的端到端深度卷积神经网络,降低高次谐波引入的相位误差,进而实现快速精确三维测量。首先,以理论分析证明所提方法的可行性,并以仿真和实验进一步验证了所提方法的有效性和精确性。与现有快速三维测量方法相比,所提方法在保证测量速度的同时保证测量精度。     

多阶段深度学习单帧条纹投影三维测量方法

深度学习的应用简化了数字条纹投影三维测量的过程,在传统数字条纹投影三维测量技术条纹投影、相位计算、相位展开、相位深度映射的流程中,研究者们已经成功证明了前三个环节以及整个流程结合深度神经网络的可行性。基于深度学习,PDNet (Phase to Depth Network)神经网络模型被提出,用于绝对相位到深度的映射。结合多阶段深度学习单帧条纹投影三维测量方法,通过分阶段学习方式依次获得物体的绝对相位与深度信息。实验结果表明,PDNet能较准确地测量出物体的深度信息,深度学习应用于相位深度映射步骤具有可行性。并且,相较于直接从条纹图像到三维形貌的单阶段深度学习单帧条纹投影三维测量方法,多阶段深度学习单帧条纹投影三维测量方法可以明显提升测量精度,仅需单帧条纹图像输入即可获得毫米级测量精度,且能适应具有复杂形貌物体的三维测量。     

基于高速LED阵列的条纹结构光三维测量方法

针对数字光处理（DLP）投影仪投影速度低从而限制结构光三维测量速度的问题，采用具有兆赫兹量级切换速度的LED阵列作为投影光源，提出一种基于高速LED阵列的条纹结构光三维测量方法。具体地，使用高速LED阵列投影二值条纹图案，通过对投影系统的镜头进行轻微离焦从而在被测三维物体表面获得正弦条纹，然后结合相移法和多频外差法对物体三维高度进行解算重建。使用所提实验系统在21000 frame/s的投影速度下对旋转速度为3000 r/min的阶梯物体进行三维测量，系统对动态物体的测量速度达到6000 Hz，测量精度达到0.1 mm，实现了对高速运动物体的三维形貌重建，同时展现出高速LED阵列作为投影光源提升三维测量速度至兆赫兹量级的可行性。