基于相位编码的三维测量技术研究进展

结构光作为一种非接触式主动三维测量方法得到了快速发展。基于结构光原理的相位编码方法将码字以相位的形式嵌入到条纹的强度中,由于使用相位而不是强度来确定码字,对表面对比度、环境光和相机噪声不敏感,具有较强的鲁棒性。文中回顾了基于相位编码的三维测量技术研究进展,综述了基于相位编码的三维测量原理,包括初始相位的设计方法、编码条纹的产生方法、相位计算方法、条纹级次的获取与校正以及最终绝对相位的获取,给出了相关的实验结果,并指出了相位编码方法中的优缺点。最后,讨论了该技术面临的挑战,并指出了该领域今后的发展方向。     

高反光表面三维形貌测量技术

陶瓷、古文物以及金属工件等高反光物体表面的三维形貌测量在各个领域有大量的需求和应用。由于表面反射率变化范围较大以及相机灰度范围有限等问题,传统的条纹投影方法不能正确地测量高反光表面的三维形貌。综述了高反光表面三维形貌测量技术的国内外研究现状、应用领域和未来发展方向。首先,根据所采用原理和测量方法的不同,将现有的高动态范围三维形貌测量技术分为下述六类进行详细的介绍:多重曝光法、投影图案强度法、偏振滤光片法、颜色不变量法、光度立体技术以及其他技术。然后,详细的比较了各种技术的优缺点并归纳其适应性分析。最后,总结了高反光表面三维形貌测量技术的应用领域并展望了该技术的未来研究方向。基于文中综述的内容,使用者可根据不同的应用需求和测量条件选择相应的最佳三维测量方法,进而更精确的重建高反光表面的三维形貌。     

合成孔径雷达干涉测量中的相位展开

合成孔径雷达干涉测量技术 (InSAR)是以合成孔径雷达复数据提取的相位信息作为信息源来获取地表的三维信息和变化信息的一项技术。相位展开是InSAR数据处理中的关键步骤之一。本文介绍了合成孔径雷达干涉测量的原理 ,重点讨论了InSAR中的相位展开算法 ,特别对与路径有关的算法和与路径无关的算法进行了分析 ,比较了各类方法的优缺点。指出一些在结构照明型计量中有效的相位展开算法也可以用于合成孔径雷达干涉测量之中的相位展开     

基于FTP的动态相位展开方法的研究

在采用结构照明的光学三维传感方法中 ,相位展开是被测物体三维面形正确重建的关键步骤之一 ,也是一个难点。本文就动态傅里叶变换轮廓术中相位展开问题进行研究 ,对比分析了直接相位展开算法、基于相邻帧间相位差之间的相位展开算法和基于调制度排序的相位展开算法。解决了基于傅立叶变换轮廓术的动态三维测量中相位展开问题 ,特别是孤立区域的相位展开。为动态傅立叶变换轮廓术的在冲击和爆轰过程中应用 ,提供了理论基础。文中给出了详细的理论分析和计算机模拟     

基于数字条纹投影的三维形貌测量技术研究与实现

根据投影机和照相机的光学成像原理,借用双Ig测量系统的标定方法搭建了一套测量精度高、标定过程自动化的基于数字条纹的三维形貌测量系统,并采用最新的相位展开技术用较少的条纹图像完成相位展开,通过对人脸石膏像进行测量实验,验证了系统模型和测量方法的正确性。     

改进的双频几何约束条纹投影三维测量方法

双频条纹投影已经广泛应用于三维形貌测量,然而其相位展开的准确性受噪声影响较大。文中提出了一种改进的双频几何约束条纹,通过提高低频相位的频率,有效地提升了相位展开的鲁棒性。在三维测量过程中,首先,利用五步相移算法计算出双频条纹的高频相位和低频相位。然后,利用几何约束方法展开低频相位。最后,采用双频算法展开高频相位,进而重建出物体的三维形貌。仿真和实验结果均表明,相对于传统双频条纹,改进的双频条纹具有更高的鲁棒性和适用性。     

改进格雷码条纹投影三维测量方法

传统的格雷码加相移法已经广泛应用于三维测量,但是相位解包裹一般需要投影多幅格雷码条纹,如何实现快速、准确的三维测量仍具有一定挑战性。提出了一种基于几何约束的改进格雷码条纹投影三维测量方法,可以有效减少格雷码条纹的数量。为了实现高速条纹投影,使用二值抖动技术将8位正弦相移条纹转换为1位二值图像。总共使用六幅条纹图像,其中三幅相移条纹用于计算截断相位,三幅格雷码条纹用于对截断相位进行初步展开获得伪展开相位,最后利用几何约束对伪展开相位进行解包裹获得绝对相位。实验结果表明,所提方法可以有效地重建被测物体的三维形貌。     

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。     

虚拟光栅三维形貌测量的小波数字低通滤波器

采用一种基于小波数字滤波的正交解调算法，用于三维形貌测试系统中的相位分布计算，文中考察了基于软件相移的相位计算，以及空域均值滤波和小波低通数字滤波的结果，得出由一副单帧变形光栅图可迅速，精确地重建物体的三维形貌，文中给出了计算机仿真和真实的螺旋浆叶片的实测结果。     

基于相移条纹分析的相位误差补偿技术发展综述（特邀）

结构光三维测量技术由于精度高、非接触等优点在传统制造业中得到了广泛的关注和应用。智能制造、人工智能等新兴领域的高速发展对如何高效获取高精度三维数据源提出了更高的要求。应用于三维测量系统的相位误差补偿技术作为实现高精度结构光测量方法的重要步骤,对测量结果的获取精度和效率起着关键性作用。首先简要介绍相移测量轮廓术的基本原理和不同误差来源导致的相位误差形式,随后分类讨论各个误差类型的补偿方法、优化方向及适用场景,最后总结基于相移条纹分析的相位误差补偿技术所面临的挑战及潜在的发展趋势。     

基于条纹投射和正弦相位调制的表面形貌测量系统

基于条纹投射和正弦相位调制技术,提出了一种用于测量物体表面三维形貌信息的光纤干涉系统。通过杨氏双孔结构实现了条纹投射,并以余弦电压信号驱动压电陶瓷实现正弦相位调制。为了消除机械振动、温度波动等外部干扰,采用相位控制系统对相位漂移进行检测,并生成实时相位补偿信号。补偿后相位误差可达6.8 mrad,从而获得高精度的干涉条纹相位稳定度。对待测件的表面轮廓连续测量两次,时间间隔为10 min,测量重复度达到0.05波长。实验结果证明:该系统能够实现较高精度的表面形貌测量。     

基于绝对相位靶的摄像机标定仿真与实验研究

摄像机标定是结构光三维传感技术中联系测量系统内外参数与三维坐标之间的重要环节.基于灰度信息提取特征点的摄像机标定方法易受图像噪声、对比度等因素的影响.提出一种基于绝对相位靶(APT)的摄像机标定方法,采用时间相位展开算法计算绝对相位,提取相位值为4π整数倍的特征点,采用局部窗口最小二乘拟合算法计算特征点的精确亚像素坐标...     

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。     

基于多频外差原理的相位校正方法研究

相位测量轮廓术因其简单低廉的特点被广泛用于光学三维测量领域，高精度的相位获取是测量的关键步骤。多频外差是相位测量轮廓术中常用的解包裹相位算法，针对多频外差解相位后产生的相位跳跃性误差，提出一种基于多频外差原理的相位校正方法。利用传统相移法和多频外差求出包裹相位和展开相位，针对展开相位中出现的跳跃性误差，通过展开相位对误差产生原因和误差位置进行初步确定，将多个频率的包裹相位进行对比，确定误差是否真实存在，对出现误差的像素点进行修正得到新的展开相位。实验结果表明：在对表面形状规则的物体测试时，展开相位光滑无跳跃性误差，表面三维重建无异常凹凸区域，实现了对解相位中跳跃性误差的消除，验证了该校正方法的有效性。     

基于双频横向剪切干涉系统的三维形貌测量

近年来,结构光投影三维成像技术被广泛地应用至各个领域。该技术通常采用投影仪投影条纹,导致投影条纹的空间周期和精度有限,且在测量微小视场时会存在条纹强度不均匀、条纹焦面景深不够等问题。为解决该类问题,基于剪切干涉条纹的高空间分辨率优势,提出了一种利用横向剪切干涉条纹测量物体三维形貌的系统和方法。该系统利用激光波前以不同角度入射平行平板会产生不同频率干涉条纹这一性质,旋转平行平板改变剪切干涉条纹频率,利用低频条纹指导展开高频条纹相位。同时利用干涉条纹的入射角度与形变量内在联系,通过几何关系获得相位与高度的映射关系,以达到重建物体三维形貌信息的目的。实验验证了该系统及方法的可行性,证明了其对测量微小物体或视场有着明显的应用价值。     

利用抖动算法扩展深度范围的三维形貌测量术

数字条纹投影技术由于其非接触、测量精度高等特点在生物医学监测、虚拟现实以及计算机视觉等领域中应用越来越广泛。但其仍存在一定局限性，例如测量深度范围受限和投影仪存在非线性误差。二值离焦技术很好地克服了条纹投影三维测量中的非线性问题，但二值图像的高次谐波分量会造成测量误差。文中提出一种基于抖动算法的多频相位选择方法，该方法利用离焦抖动技术减少二值图像的高次谐波，避免投影仪非线性误差的影响；同时采用不同抖动算法及扫描方向调制得到二值图像，通过对比周期为12～60 pixel范围内的条纹图像在25个离焦程度下的展开相位误差分布，筛选出相应图像频率的离焦选择范围，最终确定不同离焦程度下条纹频率的最优选择。对于深度为22.5 cm被测物体进行了实验，正确恢复了大深度物体的三维形貌。实验结果表明：文中所提出的方法能有效地扩展测量深度范围，从而实现大深度范围被测物体的三维形貌测量。     

基于虚拟参考面方法的高反射曲面三维形貌测量

针对常规光栅条纹反射三维形貌测量方法中对实际参考面的需求,提出了基于虚拟参考面方法。在系统标定阶段,通过向标定用平面镜投射一幅特殊标记的棋盘格图像,将其在平面镜另一侧成的虚拟像所在的平面定义为虚拟参考面。根据虚拟参考面上各点与编码光栅条纹相位间的对应关系,经计算可直接得到测量所需的两垂直方向的参考相位分布,从而无需在工件测量前首先对实际参考面进行相位提取操作。与常规光栅条纹反射三维形貌测量方法相比,由于避免了对参考平面测量的需求,本文方法获得的参考相位分布,在保证测量精度的同时提高了测量速度,降低了测量的复杂性,有利于系统的集成化。搭建了光栅条纹反射三维形貌测量系统,采用基于虚拟参考面的光栅条纹反射方法对超精密加工平面镜和组合台阶的表面形貌进行测量,建立相位偏移与被测工件表面梯度的对应关系,由梯度恢复工件表面高度,测量精度达到50μm左右。     

数字全息中再现照明光对重建像的影响

在数字全息三维形貌测量中,相位信息的正确重建对测量的准确性有着重要的意义。非原参考光的再现光重建数字全息将引入相位畸变问题,本文对此进行了详细的理论分析,指出此时重建像的相位分布将产生二次或线性畸变,并给出了相应的相位畸变表达式。计算机模拟证明了分析的正确。     

基于投影栅相位法的强反射表面三维测量

结构光三维测量技术以其非接触、精度高等优点而具有广泛的应用,但对于强反射物体表面,所采集的结构光图像会形成局部亮度饱和,导致信息失真或丢失,无法进行精确的三维重建.为实现强反射表面的测量,采用了一种改进的基于投影栅相位法的三维测量方法,对投影的相移编码图像二值化,并采用多幅不同曝光时间下所采集的图像进行融合,重建条纹图像序列,该方法增强了编码图像的鲁棒性,较好地解决了相机动态范围与物体表面反射亮度范围不一致的问题.实验结果表明,所提方法能够克服已有方法中图像局部饱和所导致的测量信息丢失的缺陷,实现对强反射曲面的结构光三维形貌的高精度完整测量.     

光栅投影三维轮廓测量及关键技术分析

说明了光栅投影三维测量技术的原理；就国内外的研究和应用状况，对三维测量中的关键技术，如相位测量，解相位，数据配位和拼接，系统结构的调整和标定等进行了分析综述。