面向结构光三维测量的相位展开技术综述(特邀)

结构光三维形貌测量方法越来越多地应用于逆向工程、航空航天、生物医学、文物保护等领域。相位展开作为结构光三维测量中的一个关键环节对测量精度、速度和可靠性起着决定性作用。文中综述了相位展开技术的基本原理、国内外研究现状、各类方法的优缺点和未来发展方向。首先根据相位展开计算方法不同,将现有的用于结构光三维形貌测量技术的相位展开技术分为以下四类进行详细的介绍：时间相位展开技术、空间相位展开技术、基于深度学习的相位展开技术和其他相位展开技术;然后详细比较了各种技术的优缺点;最后总结了相位展开技术的特点并展望了该技术的未来研究方向。基于文中综述的内容,研究者们可用于了解各类相位展开技术的原理与进展,进而根据不同方法的特点对比结合应用需求和测量条件选择最有效的相位展开技术,实现三维形貌的精确测量。     

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。     

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。     

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。     

深度学习技术在条纹投影三维成像中的应用

条纹投影（结构光）三维成像是一种广泛使用的三维成像手段。近年来，集成式的三维传感器发展迅速，特别是基于结构光原理的三维传感器件已逐渐成为高端智能手机必不可少的一个重要传感单元。然而随着应用需求的不断增多，人们对条纹投影三维成像这项技术的效率、精度、稳定性等方面的要求也越来越高。同时近年来，深度学习技术的飞速发展已经为光学成像技术的发展开启了一扇新的大门，并且从这扇大门中人们注意到伴随着人工智能概念的引入，条纹投影技术的发展也正在经历着新的突破。首先简要介绍了条纹投影三维成像的基本理论。随后举例分析通过运用深度学习技术，起初基于物理模型的条纹投影技术也可成为一种在“数据”驱动下实现的技术，而且在这种情况下，它展现出了超越传统算法的潜力。最后从神经网络模型、训练数据、训练方法等方面，讨论该领域面临的挑战与未来的研究方向。     

受限空间内表面三维形貌测量技术

提出一种利用光学导管在受限空间内进行三维形貌测量的方法。由多块反射镜构成的光学导管可以将投影系统在空间外产生的条纹图像投射到空间内表面;同时也可以将空间内采集到的图像传送到空间外并被CCD接收。避免了由于空间制约引起的阴影和遮挡,实现了在受限空间内部进行三维测量。实验结果表明了该方法有效可行。     

基于条纹投影的三维形貌与形变测量技术研究进展

基于条纹投影的三维形貌测量技术,已经在提升测量精度、提高测量速度、扩大测量景深、增加测量场景适应性等方面被进行了大量研究。但由于条纹投影技术本身的原理限制,仅利用传统条纹投影方法难于实现准确的对应点匹配。而依赖于对应点追踪的形变测量和应变分析可以进一步分析物体的运动状态、材料特性以及结构力学参数,在运动仿生学、材料力学、结构力学等诸多领域中起着不可或缺的作用。本文回顾了近年来新发展出的一系列基于条纹投影的三维形貌与形变测量技术,论述了学者们如何在条纹投影系统上一步步实现从简单刚体位移的测量到复杂、精细结构的形变测量和应变分析。分析了此类技术在测量完整度、分辨率以及计算效率上相比于已有形变测量技术的优势,给出了此技术所面临的挑战和潜在发展动向。     

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。     

离轴三反光纤阵列激光三维成像发射系统

离轴三反光纤阵列激光三维成像发射系统中,大功率激光器发出的激光经阵列光纤分束,由光纤的芯径和单元发散角计算离轴三反光学系统的焦距,由光纤的数值孔径确定系统的入瞳直径范围,光纤阵列的长度决定了光学系统的发射总视场。离轴三反光学系统采用正向设计、反向使用的思路,将光纤阵列置于离轴三反光学系统焦面位置,反向追迹光线,可以得到光纤阵列上各元激光经光学系统后的高斯光束发散角大小和相邻元之间的角度关系。文中的设计实例实现了51元激光,每一元以20 rad的较小发散角出射,实例表明,该发射系统能实现多元激光微弧度量级的发散角出射,在目标面上形成间隔均匀、圆对称性良好的足印光斑。该发射系统在设计的发射总视场内,理论上不存在波束数的限制,这是区别于其他发射系统的另一优势。     

车载式北斗光学三维成像系统技术研究

本文论述了车载式光学成像系统的定位原理,在此基础之上,设计实现车载式北斗光学三维成像系统,该成像系统通过北斗高精度接收机实现成像系统的中心点位置解算,并辅助惯导设备实现成像系统姿态信息解算。通过对比试验,分析说明北斗高精度定位在光学三维成像中发挥的重要价值及成像系统优化方向。北斗定位传感器与光学传感器的有机结合,对提升光学图像信息的有效获取、特定目标的精准感知意义非凡。     

三维成像声纳数据采集系统设计

为使三维成像声纳数据采集系统的设计达到周期短、可靠性高、满足性能指标要求的目标,提出一种改进的设计方法。该方法通过分析声纳设计指标及工作时的信号、噪声过程,提出采集系统的三个主要设计参数:TVG动态范围、最高增益及最高等效输入噪声所满足的约束方程。通过求解约束方程,获得采集系统设计参数需要满足的最低要求,以此为指导设计的数据采集系统满足声呐设计要求。通过原型设计的多次湖试实验验证了该设计方法切实有效。     

基于数字视频的微细作业系统立体成像方案

分析了现有模拟分时立体成像系统的原理和存在闪烁问题的原因,由于两路CCD信号分时显示使帧频下降,图像存在一定的闪烁感,提出了一种改进的立体成像方案,该方案基于数字视频处理,采用高速的视频解码芯片和DSP芯片,提高了图像显示帧频达到无闪烁立体成像的目的,而且利用插场算法提高了图像的清晰度,有利于对进一步实现视觉跟踪控制或利用视觉信息进行自动控制。     

0.33 THz雷达三维近场成像系统设计及成像试验

提出了采用步进频率结合平面扫描的THz雷达近场成像系统设计方案,基于宽带全息成像原理,可以实现三维高分辨率近场成像。采用多通道收发探头阵列缩短机械扫描行程,提高成像速度。给出了基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）和Stolt插值的三维图像重建算法,成像理论分辨率与波长相当。利用THz矢量网络分析仪和辅助设备,搭建了0.215~0.33 THz成像试验装置,完成了对多层金属-泡沫目标三维成像,成像分辨率达到预期水平,验证了系统设计和三维图像重建算法的正确性。     

园林景观设计中的三维虚拟成像系统设计

针对原有三维虚拟成像系统清晰度较低的问题,文中设计园林景观设计中的三维虚拟成像系统。通过制定硬件设计框架,根据框架选择图像采集器进行图像采集,通过计算机对图像进行滤波降噪处理,将处理后的图片通过激光折射输出,采用感光器以及透传模块进行虚拟成像;制定软件设计框架,通过卷积神经网络计算对采集到的图像进行降噪处理,并采用像素灰度计算得到原图像特征点,采用C语言对虚拟成像进行设定并输出,由此完成软件设计。结合上述硬件与软件设计,完成园林景观设计中的三维虚拟成像系统设计。构建对比试验,与原有系统对比,所设计系统在清晰度上有显著的提升,原有系统清晰度为82%～85%,此系统图像清晰度为85%～90%。由此可见,文中设计方法更有效。     

Double depth-enhanced 3D integral imaging in projection-type system without diffuser

Stable porphyrin-oxygenated carbon nanomaterial dispersions were prepared by blending porphyrin solutions with hydroxyl groups modified multi-walled carbon nanotubes(MWNTs-OH)and graphene oxide(GO)dispersions,respectively.Optical nonlinearity and optical limiting(OL)property of these blends are investigated in nanosecond regime.Results show that the OL performance of the blends can be tuned by changing the concentrations ratio of porphyrin and oxygenated carbon nanomaterials.The high concentration of oxygenated carbon nanomaterial leads to the poor OL performance.However,with the moderate concentration,the blends exhibit the low threshold value of OL and the enhanced OL performance at high fluence region.The superior OL performance can be attributed to complementary mechanisms and possible photoinduced electron or energy transfer between porphyrin moiety and oxygenated carbon nanomaterials.     

百皮秒级三维选通成像时序控制系统

为克服传统选通成像控制系统功能简单、结构单一、时序控制精度不高的不足,提出了一种基于FPGA和延时线应用技术的百ps级三维选通成像控制系统,其中,FPGA控制精度为10 ns,延时线精度高达150 ps。为提高系统的可操作性,设计了上位机界面程序,可灵活改变系统各控制参数。通过微控制器的程序设计,完成USB上下位机的通信和系统各部件的控制,通过FPGA硬件语言描述产生ns级时序粗调信号,延时线产生百ps级精调信号。另外增加了像增强器MCP增益控制和脉冲激光器功率控制,并对控制信息进行实时显示。实验室测试和整机实验均表明系统设计正确,USB传输稳定,可有效产生时序触发信号,并完成MCP增益、激光器功率控制,可稳定工作于三维选通成像等技术领域。     

非扫描激光三维成像主控电路设计与实现

在非扫描激光三维成像系统中,各分系统（部件）接口众多、关系复杂。各单元需要在适当的时序控制下实时完成各自的功能,主控电路在系统中负责时序控制、数据采集、处理运算、接口通讯等功能,是系统的核心部件之一。本文采用DSP和FPGA相结合的方式,充分利用它们各自的控制灵活、实时运算的特点,完成了主控电路的上述功能,实现了成像过程全自动、帧频达到25 Hz的要求,为实现原理样机转化为工程样机打下了技术基础。     

基于压缩感知的非视域物体激光三维成像系统

以提升非视域物体激光三维成像的图像质量为目的,设计基于压缩感知的非视域物体激光三维成像系统.系统整体结构主要包括激光发射模块、探测器模块、AD转换器、数据采集卡以及计算机等.激光发射模块中激光发射器发射激光脉冲,该脉冲通过准直透镜的整形处理后能够抑制光束扩散的影响.激光反射透射至非视域目标物体上形成光束散射;探测器模块...