基于全场条纹反射的镜面物体三维面形测量综述

随着集成电路、汽车行业、先进制造和天文学的发展,条纹反射术被广泛应用于测量镜面物体的三维形貌。条纹反射术通过反射条纹图中的相位信息计算被测镜面物体的局部斜率或深度信息来恢复物体的三维形貌。为全面了解条纹反射术研究的最新进展,本文综述了条纹反射的基本原理、反射条纹产生的方式、相位的计算方法、系统参数的标定和斜率积分获得深度数据,同时介绍了不依赖积分过程的直接条纹反射术。通过具体的应用和实例,指出了条纹反射术的优缺点。最后,指出了条纹反射术未来的研究方向。该综述文章为深入研究镜面反射物体的三维面形测量提供了有益的参考。     

基于成像模拟法的镜面体表面三维测量

针对计算机视觉对表面光滑且连续的镜面体三维外形测量中存在的难题,提出一种基于成像模拟法的测量方法。分析镜面反射的几何光学原理,根据镜面体表面光线反射的特性,使用相机和液晶显示器组成测量装置对镜面物体进行测量。使用平面镜对相机和显示器进行参数标定,并使用时间相移法对显示器上的像素点进行编码,从相机拍摄的镜面物体反射的条纹图像出发,采用光线逆跟踪方法,使用参数曲面反向模拟镜面物体的反光过程,通过调整曲面参数使得模拟的反射光线和显示器交点与实际位置距离误差最小,即可获得镜面体表面的三维数据。通过试验验证了该方法的有效性,具有较高的测量精度。     

立体视觉三维测量系统中的数据获取技术

提出了一种快速获得物体精确三维数据的新方法。该方法把三维视觉中的主动式与被动式数字化技术相结合，以立体视觉为原理，辅助以主动式密集结构投影光，有效地解决了立体测量的对应点匹配问题。主要针对该系统中的从图像数据获取技术，结合图像后续细化即实现图像目标边缘像素层层剥离的目的，提出采用基于图像目标边缘信息的小波边缘分析自动阈值法进行图像二值化，为本测量系统由二维到三维的快速数据转化的完全实现提供了坚实的基础。     

动态三维测量中图像同步高速投影与采集的原理及实现

基于结构光的动态物体三维面形测量对航空航天、能源和汽车等领域的科学研究与工程应用具有重要作用。然而现有测量设备单次测量时间过长,难以实现对动态物体三维面形的测量,其中主要的难点在于图像高速同步投影与采集。提出了一种图像精确同步高速投影与采集的方法,该方法通过实验测定出数字微镜翻转延时和触发曝光延时,设计了帧触发信号、数字微镜翻转、LED光源点亮和相机曝光之间耦合工作的精确时序,从而实现了220帧/秒图像的精确投影与采集,为动态物体三维面形测量设备的开发提供了良好的技术基础。     

正交调制复合光栅投影的三维测量机理及仿真

介绍了采用复合光栅来进行快速测量获取物体三维信息的方法。该方法通过投影由载频光栅携带与其正交的相移光栅而形成的复合光栅来进行三维面形测量。建立了基于复合光栅方法的三维测量理论模型,运用复合光栅完整模拟物体恢复的过程,模拟结果证明了该方法的可行性。该方法具有祛噪功能,由于只需投影一幅复合光栅图像和采集一幅变形光栅图像就实现了物体的重建,因此适用于物体三维面形的快速实时测量。     

非球面补偿板三维面形检测方法的研究

本文对准直激光束检测非球面方法进行了研究。它不用接触被检件表面,同时也无须处理干涉条纹。测量时只要保证激光细束保持一致的入射方向扫描被检表面,用CCD光电探测器检出面形的斜率变化,而后在扫描范围内积分便能获得面形高度。本文以测量光学系统中用于波面补偿目的的旋转对称镜面为例对测量系统进行分析。该系统不仅可以进行一维测量,通过转台旋转亦可进行二维测量,通过面形重构获得三维的被测体面形。给出了三维面形重构方法,并编制数据处理软件,可以把测量数据处理成高度曲线或三维面形。     

非球面补偿板三维面形检测方法的研究

本文对准直激光束检测非球面方法进行了研究。它不用接触被检件表面,同时也无须处理干涉条纹。测量时只要保证激光细束保持一致的入射方向扫描被检表面,用CCD光电探测器检出面形的斜率变化,而后在扫描范围内积分便能获得面形高度。本文以测量光学系统中用于波面补偿目的的旋转对称镜面为例对测量系统进行分析。该系统不仅可以进行一维测量,通过转台旋转亦可进行二维测量,通过面形重构获得三维的被测体面形。给出了三维面形重构方法,并编制数据处理软件,可以把测量数据处理成高度曲线或三维面形。     

基于调制度的光学三维测量的研究

为了能够测量复杂的面形物体,在基于调制度的光学三维测量研究中,提出利用改变光栅投影系统的物距,实现光栅图像对物体的纵向扫描,从而获取所测物体表面各点调制度的极大值,恢复物体的高度信息。运用此方法便于实现三维测量仪器的小型化,减少误差,可避免在相位测量中需要去包裹的问题。     

基于空间编码投影法测量三维大物体面形

三维图像拼接技术是实现大型物体形貌测量的关键技术。本文在图像控制点约束的基础上,提出了一种实现三维图像拼接的新方法,即将一伪随机空间编码投射到一大型物体表面,然后用CCD在不同视角拍摄不同视场中的物体,利用重叠区域相同的某一窗口特征点进行配准,采用四元组法求取坐标转换矩阵,从而实现大范围自由曲面三维形貌的测量。实验结果表明：基于空间编码的图像拼接新方法,可以实现大尺度三维面形的测量。     

基于光栅相位法三维重构技术研究

投影光栅相位法（PMP）是一种基于光栅投影和相位测量的光学三维轮廓测量技术,可实现物体表面三维轮廓的自动测量。提出了结合投影仪移轴技术的平行光轴系统,利用计算机编程生成具有高对比度和高亮度、有相差的正弦光栅,用数字投影仪LCD将这些条纹依次投射到被测物体表面,由CCD摄像机获取受物体表面面形调制的变形光栅像,根据数字相移算法计算出相位分布再通过相位展开恢复出连续相位分布,由相位．高度关系最终求出物体轮廓的三维数据信息。针对该原理进行了阐述,并给出了详尽的算法及实验结果。通过MATLAB实验仿真,对条纹图像进行处理和轮廓重构。模拟实验证明,这种测量方法快速高效、分辨率高,且易于实现。     

用于材料反射率测量的共轭反射计设计与分析

为了研究激光辐照过程中材料的耦合特性及耦合特性随温度的变化规律,设计了一套主体为半椭球壳体,可用于激光辐照过程中材料反射率在线测量的共轭反射计实验装置,研制完成的初样其主体内壁在可见-长波红外光谱范围内镜面反射率优于70%。介绍了测量原理和测试系统的设计方案,采用光线追迹模拟方法研究了主体部分的设计参数,分析了开孔位置、入射方向、光斑尺寸、收集孔径以及内壁反射特性对测量收集效率的影响。结果表明:在设计指标下选用探测光束直径为Φ10 mm、收集孔径为Φ38.1 mm时,收集效率可达到完全收集的97.8%,满足测量要求。另外,用短波激光测量内表面光洁度有更高要求;理想面型条件下,限定范围内的收集效率主要由内壁镜面反射率决定;因此,半椭球内壁的面型、光洁度、反射率及其均匀性是影响测量精度的主要因素。     

用于强反射表面形貌测量的投影栅相位法

为了实现强反射表面三维形貌的光学非接触测量,提出一种改进的投影栅相位法。分析了强反射表面的反射光特点及其对相位解算的影响,指出了反射光亮度范围与相机动态范围的不一致是导致传统投影栅相位法测量失效的主要原因;提出了亮暗条纹投射、多曝光时间采集图像和图像合成等技术,使相机亮度测量范围与强反射表面的反射光亮度范围相一致,并分析了此方法的可行性和适应范围。最后,给出了改进投影栅相位法的条纹投射与图像采集步骤。实验结果表明,改进的投影栅相位法克服了强反射表面引起的条纹图像饱和或过暗问题,能够成功测量出99.6%以上的三维点云,有效解决了测量点云缺失问题,能够实现强反射表面三维形貌光学非接触测量。     

A new certainty grid based mapping and navigation system for an autonomous mobile robot

A complete Bayesian derivation for a sensor data updating formula for certainty grids is given, and its validity confirmed in a simulation. In the real world this formula alone is less valid because of the specular reflection effect, which seriously detracts from the map quality. A simple and practical approach, which greatly enhances the map quality in spite of some loss of range information, is proposed to compensate for this. A new path planning method based on the enhanced map is implemented on a mobile robot, and every aspect of the new algorithm is investigated through a series of experiments. The results show the validity and usefulness of the proposed approaches, i.e. updating formulae, specular reflection correction and path planning methods.     

一种基于相位法的彩色三维形貌测量方法

基于相位法的三维形貌测量。提出了一种建立被测物体彩色三维形貌的方法。该方法采用主动光源投射一组光强呈余弦变化的光栅。并由一台黑白CCD工业摄像机对被测物体拍摄从而实现三维形貌的重建;然后对被测物体进行三色光投射。同时黑白工业摄像机拍摄被测物体,通过对所得图片进行分析。实现被测物体的色彩恢复。实验结果表明,该方法能够快速准确的获得被测物体的彩色三维形貌,色彩度误差小,可有效解决黑白工业相机无法进行色彩捕捉这一问题。     

曲面小构件变形状态的全场检测问题研究

针对传统方法难以测量曲面小构件非均匀变形的问题,比如受力时发生变形失稳的镍钛形状记忆合金微管,提出了显微成像法和三维形扫描法.它们以非接触和全场的方式追踪构件在不同变形状态下表面标记点的位置,从而获取位移数据,并通过固体力学中经典的几何方程计算得到应变结果.实验证明了所提出方法的易操作性和可靠性,还得到了对于相变材料的力学问题的研究具有重要意义的结果.     

GUlDELESS SPATIAL COORDINATE MEASUREMENT TECHNOLOGY BASED ON CODING POLE

A new method of guideless spatial coordinate measurement technology based on coding pole and vision measurement is proposed. Unequal spacing of bar code is adopted to pole, so that the code combination of pole image in measuring field is unique. Holographic characteristics of numeric coding pole are adopted to obtain pole pose and pole probe position by any section of bar code on the pole. Spatial coordinates of measuring points can be obtained by coordinate transform. The contradiction between high resolution and large visual field of image sensor is resolved, thereby providing a new concept for surface shape measurement of large objects with high precision. The measurement principles of the system are expounded and mathematic model is established. The measurement equation is evaluated by simulation experiments and the measurement precision is analyzed. Theoretical analysis and simulation experiments prove that this system is characterized by simple structure and wide measurement range. Therefore it can be used in the 3-dimentional coordinate measurement of large objects.     

微型牙齿三维测量技术与系统

为方便扫描牙齿等微小物体的三维形貌,设计了一套专门用于口腔内部直接测量的牙齿三维扫描系统,该系统利用数字光栅投影仪投射结构光,通过远心成像镜头将光栅图像缩小,经光纤传像束传输投射到待测微小物体上,同时采用电子内窥镜获取图像,最后重构出物体的三维形貌。实验证明,该系统切实可行,满足牙齿扫描的微型化、直接化、灵活性的需求,拓展了结构光微测量三维形貌的适用范围。     

用图象光载波方法进行表面三维形状与振型的自动测量

讨论从被物体表面形状或振型调制的图象光载波信号提取该表面深度或振型全场信息的测量方法，结合成熟的计算机图象处理技术，该方法可构成在精度、量程、自动化程度方面具有很强适应性的无接触测量系统，文中给出了自动测量系统的构成设计，并给出了测量实例。     

Principles of Shape from Specular Reflection

The reconstruction of (partially) specular object by means of deflectometric methods is a challenging task. It has a long and fairly branched history within the metrology and machine vision communities. We are not aware of any scientific publication surveying the state of the art in a unifying manner and thus stimulating further research. This contribution is intended to close this gap, bringing together prominent ideas from both fields. In avoidance of unnecessary technicality, we lay out the basic theory, including all known forward models of the reflection process. The corresponding inverse problem is ill-posed, so that special emphasis is put on the question of regularization. We embed some novel results on the uniqueness problem and the effectiveness of regularization approaches. Also an overview of numerical methods related to Shape from Specular Reflection is given. For the sake of completeness, we share some thoughts on the construction of an actual measurement system and discuss a practical example.