条纹投影与相位偏折测量技术研究进展

条纹投影和相位偏折测量术可用于精确地测量待测物面形,在全场光学三维轮廓测量领域具有较好的发展前景。首先,介绍了条纹投影和相位偏折测量技术的基本原理,重点是这两种技术中的相位提取技术、摄像机定标技术等关键技术。其次,对条纹投影和相位偏折测量术这两种测量方法的异同点做了对比。最后,介绍了条纹投影和相位偏折测量技术在提升测量精度和速度方面的发展。为了提升测量精度,主要有校正条纹Gamma效应、提升相位提取精度、摄像机标定精度和相位-高度/梯度标定精度等途径;为了提升测量速度,主要有提升相位提取速度、相位解包裹速度等方法。     

基于局部单应性的投影仪标定精度研究

结构光三维测量中,系统标定参数不仅是三维重建的基础,其精度对测量结果也有直接的影响,但目前投影仪标定大多存在精度不高、过程复杂等问题。为此,论文利用棋盘格标定板,采用一种基于局部单应性矩阵的投影仪标定方法,通过局部单应性矩阵将相机和投影仪图像角点坐标对应关系建立起来,把角点邻域大小转化为投射角度,对每个投射角度分别进行投影仪标定,根据实验结果综合分析选出系统最佳投射角度。介绍了系统模型及工作原理,并搭建实验系统研究了标定精度和投射角的关系,获得了最佳投射角度,并在此基础上对已知平面和复杂人脸进行三维重建,重投影误差可达0.284 356像素,证明了选取最佳投射角度可获得更高的重建精度。此分析方法不依赖相机标定实现,摆脱了具体结构尺寸的约束,具有更普遍的应用价值。     

单屏相位测量偏折术中的透明层折射误差补偿

相位测量偏折术（PMD）面形检测中常使用液晶显示屏（LCD）作为投影设备。由于LCD的多层透明结构会对条纹投影光路产生折射而导致投影条纹位置偏离，继而影响最终检测精度，因此需要对这种误差进行点对点的校正。本文将LCD的多层透明结构简化建模为一个整体的等效透明层，建立相应的PMD模型进行透明层的误差分析和补偿。将补偿算法应用到PMD中测量标准平面镜及球面镜，与未进行补偿的情况相比，测量面形均方根误差（RMS）均减少了20%～40%。该补偿方法能显著减小单屏PMD中由LCD透明层折射效应带来的误差，补偿后的面形RMS有显著减小，检测结果更接近于实际面形误差。     

面向制造的光学面形超精密测量技术研究进展

超精密测量是光学制造的前提。高精度的光学面形测量仍然遵循零位检验原则，计算机生成全息图（CGH）是自由曲面等复杂面形零位检验所必需的补偿器。为此，面向制造过程，重点论述CGH补偿检验原理及其衍射级次的鬼像干扰、投影畸变校正、测量不确定度与绝对检验问题，探讨CGH补偿检验的局限与应对方法。针对制造过程中产生的动态演变局部大误差的测量难题，论述子孔径拼接测量、自适应补偿干涉测量方法，探讨加工原位干涉测量进展。最后，从超高精度测量与溯源、混合光学零件的宏微跨尺度测量、自主可控面形测量仪器及其原位集成三个方面对光学面形测量技术发展进行展望。     

基于相位标靶的相位测量轮廓术投影色差建模与校正

光学三维测量中的三通道相位测量轮廓术具有高精度、易识别、自动化程度高等优点，在科学研究和工程应用中获得了广泛的关注。在三通道相位测量轮廓术中，投影仪不同通道间的色差成为影响测量精度的关键因素。针对该问题，文中开展了基于相位标靶的相位测量轮廓术投影色差建模与校正研究。提出了将带有全息投影膜的液晶显示屏(Liquid Crystal Display, LCD)当作相位标靶对投影色差建模与校正的方法。通过LCD显示条纹与投影仪投射条纹的相位，计算投影仪色差并建立其数学模型。然后通过预补偿的方法实现投影仪三通道投射色差的校正，进行实验验证校正前后对相位测量轮廓术精度的影响。实验结果表明，文中所提方法的校正效果为蓝绿通道的平均色差由0.325 5 pixel校正为0.106 3 pixel，红绿通道的平均色差由0.365 1 pixel校正为0.111 4 pixel。该方法可为三通道相位测量轮廓术提升投影质量。实测台阶的平均误差从0.489 mm减少到0.038 mm。实验结果验证了投影仪色差建模与校正方法的有效性，提升了三通道相位测量轮廓术的整体测量精度。与已有方法相比，可以有效避免相机误差...     

条纹投射技术中的投影机非线性自校正方法研究进展

在条纹投射技术中,投影机光强非线性是影响测量精度的关键因素之一。投影机非线性会在条纹信号中引入高阶谐波,从而导致位相测量结果中出现波纹状误差。投影机非线性的自适应校正方法,也即自校正方法,可以从测量数据中直接估计投影机输入输出光强曲线或位相误差函数,从而避免了繁琐的前标定过程,并因此在应用中具备很强的适应性。文中拟对投影机非线性自校正算法的研究进展作一个系统性的概述。这些方法中,其一,是从采集的条纹图像中利用迭代拟合算法直接估计投影机的非线性曲线,并依据其校正位相误差;其二,是从单幅测量位相图中识别并移除由非线性引起的位相误差;其三,是利用两幅不同频率的测量位相图估计误差系数,并补偿其影响。实际测量结果表明:上述自校正方法,在无需标定数据条件下,可以有效地解决投影机非线性误差问题,有助于提高条纹投射技术的测量精度。     

基于液晶编码的三维视觉测量

研究了基于液晶(LCD)编码技术的三维(3D)曲面测量方案。该方案利用LCD投射规则点到被测3D曲面，经过粗—细匹配技术获得高精度空间匹配点，由高精度标定的CCD给出空间匹配点的3D坐标，从而完成曲面测量。该方案测量速度快，测量精度优于0．2mm。系统结构简单，实现了完全自动化测量。     

基于高动态范围图像技术的高光误差补偿方法

利用基于条纹投影技术进行三维测量时,其相位提取精度直接决定着测量精度,而在实际测量中,由于待测物体存在一定反射率,因此相机拍摄到的结构光条纹在一些区域常会曝光过度,导致条纹相位产生高光误差,影响测量结果.本文分析了条纹投影技术中镜面反射光对相位提取精度的影响,提出了一种基于高动态范围图像(High Dynamic Range Image,HDRI)技术的高光误差补偿方法,可在不增加系统复杂度的前提下补偿高光误差,并针对金属工件表面三维形貌进行了测量实验验证,结果表明,在未消除高光误差时,测量高度整体向上平移15 mm,且在高光区域存在额外0～20 mm不等的测量误差,在使用HDRI技术后有效补偿了高光区域的相位误差,提高了金属工件三维测量的准确度.     

双平面法标定的双目视觉三维测量系统

针对传统摄像机标定过程复杂、三维测量精度不高的问题,提出了一种基于投影直线相交的双目视觉三维测量方法,并给出了基于神经网络的标定方法。根据摄像机成像特点,利用双标定平面上的点求取投影直线方程;针对摄像机成像复杂的畸变模型,利用BP神经网络对复杂非线性映射关系的强大逼近能力,对左右两台摄像机于远近标定平面处分别进行隐式标定,得到图像像素坐标到平面模板二维物理坐标的映射关系;设计制作了试验平台,采用手工辅助的方法获得网格模板训练样本。此标定方法完全适用于大视场、近距离、高精度的双目视觉传感器。试验结果表明,系统对空间已知长度的测量结果误差约为0.109 mm,测量精度较高。     

基于条纹反射法的平面镜面形测量

为了评价平面镜面形误差,采用基于条纹反射法的面形检测原理、通过平面镜法线偏移实现面形误差评价的方法。将正弦条纹投射至光屏,经被测平面镜反射至相机,通过小孔成像原理和四步相移法获得被测平面镜上一点的法线,并与经最小二乘算法面形重建的该点理论法线比较,获得该点法线偏移,利用法线偏移实现对平面镜的面形评价。对测量方法进行计算机仿真,以证明其正确性;搭建实验测量系统,并对某一款手机屏幕进行测量实验。结果表明,该测量方法的重复性精度优于1mrad,测量重复性高。该研究为玻璃面板等具有高反射特性的平面面形误差提供了参考。     

考虑圆形特征边缘模糊和偏心误差修正的高精度相机标定方法

针对立体视觉系统采用圆形特征点标定时存在的空间圆形投影边缘模糊和偏心现象问题,利用改进Zernike矩和偏心误差修正进行圆心的高精度定位,以此提高相机参数的标定精度。首先考虑了由于立体视觉成像系统的标定场景光照强度不均匀引起的圆形特征投影图像边缘模糊的问题,引入高斯误差函数对边缘过渡段的灰度分布进行描述,建立了高斯边缘模型,并基于该模型计算投影图像的Zernike矩,然后利用改进Zernike矩实现高精度的圆形特征投影边缘像素坐标定位。此外,分析了影响圆形特征中心投影点和拟合圆心间偏差大小的因素,基于该分析对迭代拟合圆心进行偏差补偿使之逼近真实的圆心投影,最后通过所提算法对99圆形标志点进行圆心坐标提取并用于相机参数的标定。仿真实验表明,文中算法对投影图像边缘定位的精度以及圆心拟合的精度均高于传统的算法;实测实验中,基于圆心高精度坐标得到的相机标定参数对标准杆进行三维重建,长度测量精度比传统算法提高了30%。     

光栅投影三维测量系统中标定技术的研究

相机和投影仪的标定精度决定光栅投影三维系统的测量精度。提出一种改进的标定方法。该方法在逆向相机模型的基础上对投影仪进行标定,利用相位编码法进行绝对相位展开,避免相机标定误差的引入,在标定过程中减少投影仪投射图案的数量,使标定操作更加简单、快速。在系统的标定过程中,利用投影仪投射的垂直、水平两组光栅图像,建立其与相机图像的对应关系,进而求得标志点圆心在投影仪图像上的像素坐标;然后利用带有径向畸变的相机模型对投影仪进行标定;最后进行系统的立体标定,确定相机和投影仪间的相对位置关系。实验结果表明所提方法切实可行。     

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。     

基于光栅投影测量改进的类双目系统标定方法

系统标定是光栅投影测量系统中的关键一步。将投影仪看成相机的类双目系统标定方法具有操作简单、精度高、可靠性强的优势。在此系统标定方法的基础上,提出一种提高测量系统精度的系统标定方法。根据提取的标定板上圆标识的圆心坐标,利用计算机生成含有相对应十字标识的图像,用于相机标定,可避免圆标识轮廓对角点提取的影响,从而提高相机标定精度。同时,推导快速求取投影仪伽马的表达式用于相位校正,可建立投影仪像素与相机像素精确的对应关系,从而提高投影仪标定精度。结合投影仪和相机的标定结果,建立统一的世界坐标系完成整体系统的标定。实验结果表明:采用上述标定方法,可将投影仪和相机标定精度分别达到0.25 pixel和0.15 pixel;同时测量了一个长方体,精度达到0.142 7 mm。     

基于全局空间控制的高精度柔性视觉测量系统研究

针对传统机器人视觉测量系统中测量精度受机器人绝对定位精度限制的问题,构建了基于全局空间控制的高精度柔性视觉测量系统并研究其标定技术。通过全局空间测量定位系统实现机器人末端工具的高精度实时控制,可以突破机器人自身定位精度的限制,充分发挥其高度柔性的运动特性。为实现系统高精度测量,提出一种基于单应性矩阵的视觉传感器外参标定方法,该方法仅需对所设计的平面靶标进行一次成像,结合激光跟踪仪进行坐标转换即可实现传感器坐标系与外部参考坐标系之间坐标转换关系的精确标定。实验结果表明,基于全局空间控制的机器人视觉测量系统在其工作空间中距离测量精度优于0.2/mm,较传统的机器人视觉测量系统得到显著提高。     

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。     

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。     

Solution for vision occlusion based on binocular line-structured light

Aiming at the problem of the loss of 3D point cloud, due to the occlusion of the field of view in the 3D measurement process, a measurement scheme based on line-structured light with dual-camera is given. In addition, in the line-structured light measurement technology, the traditional light plane calibration is more complicated, and the three-dimensional measurement accuracy is relatively low. For this reason, this paper used the binocular polar line constraint to calibrate the physical parameters of the light plane. Experimental results show that the dual-camera measurement system can obtain high-precision global measurement results. The maximum measurement error is 0.091 51 mm, and the average measurement error is 0.076 05 mm. Compared with the traditional binocular matching method and the traditional laser triangulation method, this method can deal with the problem of field occlusion more effectively, thereby reducing the loss of measurement information in the measurement process.     

机械臂双目视觉系统内外参高精度标定

在空间站机械臂中,双目视觉系统作为其重要组成部分,能够引导机械臂自主完成对目标的定位和捕获。内外参标定技术是双目相机高精度获取合作目标位置、方向等运动信息进而进行三维重建的首要前提和重要保障。文中提出了一种基于光束法平差算法的双目视觉系统内外参标定技术,采用三维靶标场作为标定目标,并将高精度测角设备经纬仪作为精测基准,通过坐标转换解算分步得到相机的内、外参数。实验表明,该方法标定的相机内参重投影误差小于0.5个像元,外参测试误差为±0.19 mm,有较高的测试精度和鲁棒性,为机械臂实施视觉闭环自主捕获合作目标提供可靠依据。     

多角度偏振成像仪高精度辐射定标方法

开展高精度辐射定标方法研究,对于多角度偏振成像仪实现大气气溶胶粒子分布和微观物理特性探测反演的科学应用至关重要。采用傅里叶级数的分析方法,建立了全视场起偏度的测量模型,消除了参考光源偏振方位角绝对位置引入的测量误差,实现了光学系统偏振特性的准确测量。结合多角度偏振成像仪的辐射与偏振定标模型,开展了光学系统偏振特性的校正方法研究,实现偏振特性引起辐射定标不确定度由8%下降至2.2%以内。利用高精度二维转动平台和大口径积分球辐射源,采用分视场测量方法, 校正像元响应非一致性,实现相对辐射校正精度优于0.5%。采用基于标准灯漫反射板的辐亮度量值传递链路,经过各影响因素的分析评测,所有波段辐射定标精度均优于5%。