瞬态飞行目标三维面形的多视角测量系统

在运动力学、弹道学等研究的一些动态过程中,瞬态飞行目标的三维面形与其结构、形变、应力和烧蚀等情况有着密切的关系,而对其面形的多视角测量目前还无法实现。针对这一难题,基于结构光技术设计并搭建了一套正六边形的测量系统,利用三套投影摄像装置将正弦光栅多角度、瞬时、同步投影到瞬态飞行目标的表面,采集其条纹图像,再经小波变换处理,最终得到目标的三维面形。实验结果表明,该系统能有效地实现对瞬态飞行目标复杂三维面形的非接触式、多视角、快速测量。     

基于格雷码图案投影的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。在众多的结构光投影三维成像方法中,基于格雷码图案投影的三维成像技术因具有良好的鲁棒性和抗噪性被广泛地应用到工业检测、文物数字化及生物医学检测等领域。投影出去的格雷码图案作为一种结构光,可以直接用来调制被测面形高度分布,也可以用来辅助其他结构光的信息获取和计算,最终达到三维成像的目的。文中概述了基于格雷码图案投影的结构光三维成像技术,回顾了不同种类方法的基本原理以及研究进展,给出了课题组相关方向上的原理及应用研究结果,分析了格雷码二值图案在三维面形测量应用中的优缺点和适用范围,并指出了该领域今后的发展动向。     

同步扫描的调制度测量轮廓术三维面形重建算法

基于三角法的结构光三维测量技术具有较高的精度,但投影光轴和观察光轴之间的夹角在测量过程中可能产生遮挡和阴影,需要通过两次或多次不同方向的测量和拼接解决。与三角测量不同,基于调制度测量的三维面形测量方法采用了垂直测量原理,将投影光轴和观察光轴重合,从而摆脱了基于三角测量原理的光学三维传感方法中阴影、遮挡等限制。对一种连续相移和垂直扫描的调制度测量轮廓术三维面形重建算法进行了研究,分析了这种类型的结构光扫描条纹的特点,基于这种特点介绍了几种同步扫描的调制度测量轮廓术提取调制度及三维重建算法,比较了几种算法的特点,实验表明采用适当的三维面形重建算法,可以在垂直测量的模式下实现115 mm深度测量范围,对被测面积为120 mm×120 mm检验平面测量,标准差可达0.19 mm。     

三维面形测量中结构光场的非线性分析和校正

在基于数字投影的结构光三维面形测量中,相位测量轮廓术和傅立叶变换轮廓术是两种重要的方法,但由于受到CCD探测器光电响应的非线性、投影伽马的非线性以及环境光照等因素的影响,引起投影条纹正弦性的下降,最终导致相位和重建面形的误差.本文提出一种实用的结构光场生成方法,有效改善了结构光场的正弦性.从成像系统出发,通过理论推导,...     

基于U-Net网络的结构光三维测量术

结构光条纹投影是广泛应用的一种三维测量技术.虽然该技术经过几十年的研究和发展,但如何从单幅图像中快速获取物体三维形貌仍然是没有得到很好解决的难题之一.近几年,深度学习方法广泛应用于计算机视觉和图像处理领域.提出一种基于U-Net网络的结构光三维测量方法.该方法直接从单个变形条纹图中获取物体表面的深度信息,实现三维形貌的快速测量.仿真和实际实验数据证明了所提方法的有效性.由于仅从一幅变形条纹中计算得到三维数据,所提方法可应用于动态物体三维面形的测量.     

投影结构光空间位置和形状的标定方法研究

提出了结构光三维测量系统中投影结构光的空间位置和形状的多点拟合标定方法.在结构光三维测量系统有效视场范围内,空间靶平面多次改变并覆盖整个有效视场.利用投影矩阵与坐标变换关系,由投影结构光与空间靶平面的相截线来确定结构光在整个有效视场范围内的多个三维数据点,通过多点拟合,完成其空间位置和形状的标定.最后以多光片投影双目视觉三维测量系统中9条结构光的标定实验,验证了该方法的可行性和有效性.     

红外结构光人脸三维面形测量

文中提出一种基于红外结构光的人脸三维面形测量方法,通过投影红外条纹在人脸表 面,采用傅立叶变换轮廓术方法获取人脸三维信息,并给出了方法的原理、系统结构及实验结果。这种方法对检测对象不具有侵犯性,也满足特定环境隐蔽测量的要求,在三维人脸识别领域具有明显的应用前景。     

动态三维面形测量的研究进展

近年来,光学非接触三维面形测量技术被深入研究和广泛应用,其中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,再从中解调重建出被测物体的三维面形分布。与单帧图像的傅里叶条纹分析方法相结合,这种基于条纹投影的调制和解调技术被拓展应用到动态过程(物体)的三维面形测量和重建中,以满足日益增长的动态过程分析需求。回顾了近年来在基于条纹投影和傅里叶分析的动态过程三维面形测量以及薄膜振动模式检测研究中的进展,讨论了不同动态过程的测量方法和测量系统,给出了相关应用的实验结果。讨论了该技术的优点和面临的挑战,并指出了该领域今后的发展动向。     

基于二维经验模态分解的三维面形测量

采用结构光投影的三维面形测量,为了得到包含待 测物体高度信息的基频成分,变形条纹图中通常含有随机噪声和背景信息需要去除。提出一 种基于二维经验模态分解(2D-EMD)的三维面形测量方法。2D-EMD用于去除低频背景分量 并抑制噪声影响,再结合二维希尔伯特变换提取三维面形的相位信息,最后根据相位与高度 的映射关系得到被测物体的三维形貌。2D-EMD采用完全的二维分析方法,考虑了条纹图行 与行之间的相关性,能有效提取任意方向条 纹图中的调制相位。由于不需要像聚合EMD(EEMD)反复添加噪声再分解的去噪过程,缩短了 数据的处理时间。计算机仿真结果表明,与傅里叶变换轮廓术(FTP)相比,较大陡跳误差从 －40mm降到了－1～1mm。实验结果也证明了 本文方法的有效性。     

193nm光刻投影物镜单镜支撑仿真分析及实验研究

光刻是大规模集成电路制造过程中最为关键的工艺,光刻的分辨力主要取决于光刻投影物镜的光学性能。光刻投影物镜光学元件面形精度为纳米量级,其对光学元件的加工及物镜单镜支撑提出了极高的要求。为193nm光刻投影物镜高精度的单镜面形,设计了一种运动学单镜支撑结构。运用有限元法(FEM)分析光刻投影物镜单镜运动学支撑结构在重力下物镜镜片的面形变化量,经分析物镜镜片的峰值(PV)值为15.46nm,均方根(RMS)误差为3.62nm。为了验证有限元计算精度,建立了可去除参考面面形及被测面原始面形的方法。经过分析对比,仿真结果与实验结果面形的PV值为2.356nm,RMS误差为0.357nm。研究结果表明,所设计的基于运动学193nm光刻投影物镜单镜支撑结构能够满足193nm光刻投影物镜系统对于物镜机械支撑结构的要求。     

条纹投影动态三维表面成像技术综述

对条纹投影动态三维表面成像技术进行了总结,分析了典型方案的特点。首先介绍了该技术的基本原理,包括系统基本结构、三维表面成像原理及相移法和傅立叶变换法这两种典型的相位提取方法。接着介绍了动态成像方案,包括高速投影方案和采用速度相对低的相机进行动态三维表面成像的方案。然后介绍了动态三维成像中绝对相位获取方法,主要是模拟和数字编码法及区域统计特性编码法。最后介绍了高精度动态相位测量方案。     

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。     

一种基于结构光的高反光表面三维重建算法

针对高反光表面的三维重建一直是结构光技术中的重点及难点。文章基于多重曝光法及调整投影条纹强度法,提出了一种曝光时间序列以及条纹亮度序列的选择方法,利用被测物体在不同投影条件下的表面临过曝像素点数统计直方图,结合图像中像素点数的不过曝比例,计算所求的曝光时间及条纹亮度序列,完善了针对高反光表面的高动态范围技术。实验结果表明,文章提出方法能够有效地提升高反光表面三维重建的精度,点云中有效像素点数可以达到96%以上。     

投影用高亮度发光二极管的快速发展

在过去三年中,微型显示投影发光二极管(LED)光学引擎的亮度显著地加速增长,在某种程度上超出了许多业内人士的期望。这种快速增长促进了液晶投影电视的出现。综述了应用于投影的LED的进展及相应产品。讨论了基于LED的光引擎的设计,展望了其亮度改进以及新产品研制的前景。     

智能激光3D投影空间定位精度分析

为了解决激光3D投影定位无法兼顾高精度、实时性、智能补偿定位的问题,搭建了一种基于激光跟踪定位技术的智能激光3D投影系统,并进行空间精度分析。首先,建立激光3D投影系统数学模型;其次对激光3D投影系统进行光学中心标定,再利用投影承接部件基准点对部件坐标系进行标定,从而完成智能激光3D投影系统的标定及搭建;最后,建立智能激光3D投影定位精度模型。仿真结果显示,激光3D投影仪投影区域中间部分精度最佳,由激光跟踪测量精度引起的投影承接面投影点误差小于投影仪引起的投影承接面投影点误差。实验结果显示:在3~4 m的投影距离上,所研制的智能激光3D投影系统的投影形状及位置准确度可以优于0.3 mm。与传统的激光投影系统相比,该系统解决了大尺寸投影承接部件不能大量安装合作目标问题,使工作中无需目标反射头及校准工装,省略校准过程,当投影系统或被测部件移动或漂移时,智能化识别、解算、补偿相对位移量,保证实时、精确投影至正确位置,极大提高了投影定位系统的工作精度和定位效率。     

三维物体形状检测与重构系统的研究

三维物体形状检测与重构技术是计算机图像处理技术的一个分支,在众多领域有着广泛的应用前景。文中介绍了基于面结构光投影法的三维物体形状检测与重构系统,阐述了测量原理,建立了数学模型,给出了系统检测与重构的步骤,并根据检测得到的三维点云数据的特点,提出了适合本课题的简单、有效的三角网格化方法。实验结果证明该系统能够进行有效的检测与重构,具有很好的应用价值。     

狭小空间三维形貌测量方法的研究与实践

针对人的视线不易到达的狭小空间的物体的三维形貌测量在医疗诊断、工业设备的检测及故障诊断等领域有迫切的应用需求这一问题，设计了由数字微镜装置（DMD）芯片为核心的数字光条纹投影（DFP）单元、图像传导光纤、CCD摄像机以及计算机等构成的小型数字三维形貌测量系统。应用该系统对一直径为3cm的小球作了外形测量并进行了标定，进而在口腔内作了三维测量，并获得了令人满意的结果。据此可以将这一技术推广到航空、航天、工业检测、医疗诊断等领域。     

LCOS光引擎亮度的理论分析与估计

亮度是评价LCOS光引擎质量好坏的一个重要参数。光引擎的高亮度是LCOS投影系统提供优质画面效果的重要条件之一。文章阐述了在理论层面上对LCOS光引擎亮度的分析方法和ColorQuad结构LCOS光引擎能量利用率的估计方法。     

LCoS背投技术及其在中国的发展

作为新兴的显示技术,LCoS一直被认为是未来最具竞争力的技术。与LCD和DLP两种背投技术相比,LCoS技术具有结构简单、成本更低的优势,并且具有高解析度、高亮度的特性。LCoS光学引擎是整个背投的一个重要组成部分。三片式LCoS光学引擎是目前市场上LCoS高清背投电视采取的主要光学引擎架构。     

GPU加速三维面形测量

随着通用计算和图形显示需求的不断增加,图形处理器（Graphics Processing Unit,GPU）在医学、科学计算、图像处理等领域得到了广泛的应用。但它在三维测量领域的应用还只是一个开始。文中基于傅里叶变换轮廓术（Fourier Transform Profilometry,FTP）和三频外差法设计了两套三维测量系统,并利用计算统一设备架构（Compute Unified Device Architecture,CUDA）方法,加速了静态或动态物体的三维重建。在三频外差测量系统中,需要利用高速数字投影模块和相机,同步触发采集小视场表面的12个变形条纹图,然后对图像数据进行处理。实验结果表明:对12幅1 360 pixel1 024 pixel大小的图像进行相位展开运算,GPU方法比CPU方法的效率提高了2 089倍。在基于FTP方法的测量系统中,摄像机只需记录一幅变形条纹图,然后拷贝到显存中,并用CUDA编程的算法进行处理,进而重建出物体的三维面形。基于GPU的FTP方法对一幅1 024 pixel1 280 pixel大小的图像进行计算,其计算时间比CPU方法缩短了27倍。