一种三维变形光学测量系统及微结构力学性能测试应用

描述了一种使用显微栅线投影技术和数字图像相关技术同时测量微结构三维形貌和变形的光学测量系统.在此系统中,正弦栅线通过相移投影器投影到被测物体表面,变形的条纹图由高分辨率的CCD相机和显微镜头采集并保存.相移技术处理条纹图得到形貌和离面变形,同时从相移图像中提取出被测物表面纹理,数字图像相关技术处理变形前后表面纹理得到面...     

一种基于结构光条纹投影的微小物体测量系统

为了通过结构光投影的方法测量微小物体,构建了一套微小物体三维形貌测量系统,视场范围可达1.8 cm×1.6 cm。这套测量系统利用了Light Crafter 4500数字投影组件的高速投影、立体显微镜的低畸变缩放、远心镜头的大景深与低畸变成像的特性。先利用立体显微镜对Light Crafter 4500投影的相移条纹图进行低畸变缩小,再投影到待测物体表面,采用配有远心镜头的相机同步记录受到物体表面形貌调制而发生形变的条纹,利用三步相移法计算出条纹对应的截断相位图,再根据可靠路径跟踪相位展开算法求取连续的相位分布,重建被测物体的三维表面形貌。实验成功重建了以BGA芯片为代表的微小物体表面三维形貌。实验结果表明,系统测量精度达到11 μm,系统的有效深度测量范围为700 μm。     

高动态范围表面自适应条纹投影测量方法

相位测量轮廓术是获取物体表面三维形貌信息的最有效方法之一,但是对于表面反射率变化较大的物体,传统的条纹投影技术难以使高反射率和低反射率的区域都能实现高精度的形貌测量.针对这一问题,提出一种基于递归的自适应条纹投影方法.该算法能够分析采集图像中亮度饱和及亮度不足的像素点,并根据坐标映射关系自适应地调整投影图案的亮度,使各像素投影亮度经二分递归后趋近于最佳投影亮度,达到避免饱和及提高信噪比的目的 .实验结果表明,所提方法能够准确实现投影亮度的调整,仅需少量的递归过程,就能纠正99.3％投影亮度不合理的像素点,在改善高动态范围表面的三维显示效果的同时提高了其三维形貌的测量精度.     

次条纹积分法解调位相的三维面形测量

提出一种新的条闰相分析技术用于三维面形自动测量。将光栅图案投影于物体表面上，投影像随物体三维面形变形，形变的投影像用次条纹积分算法分析，求出位相变化和相应的三维面形。     

数字投影仪性能最大化计算莫尔轮廓术

提出一种数字投影仪性能最大化计算莫尔轮廓术。为了满足动态测量的需要,利用数字投影仪的最大化刷新帧率和最高条纹频率设计,将二元编码条纹代替传统的8 bit数值正弦条纹使投影仪刷新率由传统60 Hz提高到数千Hz以上。通过编码满足抽样定理的最小周期二元条纹,利用数字投影仪的最优投影帧率性能,即可以在数字投影仪上实现投影条纹的最小等效波长,也可以实现计算莫尔条纹的优化提纯,进而从源头上有效提高计算莫尔轮廓术（CGMP）的测量精度。通过与傅里叶变换轮廓术（FTP）和高精度计算莫尔轮廓术（HCGMP）的对比实验验证了该方法的可行性和有效性,表明所提方法具有较高的测量精度,通过在线运动“心型”物体的测量表明所提方法可以满足在线和动态三维测量需要。     

基于投影强度的快速高动态范围三维形状测量

条纹投影轮廓术由于具有速度快、精度高、对环境光照和表面纹理具有鲁棒性等优点,在许多领域得到了广泛应用。但是,它容易受到高动态范围(high dynamic range, HDR)对象的影响。因此提出了一种快速计算最佳投影亮度的方法。通过求解相机与投影仪之间的响应关系,结合所提出的一个简便的投影亮度确定方法,可以得到测量所需要的投影亮度。再基于所提出的图像融合算法融合求得的各个亮度下的原始图片,从而获得高质量的融合图片,实现对HDR物体的高精度的三维重构。相较于传统方法,无需盲目投射和拍摄大量图片或计算复杂的单应性矩阵,仅需要投影一张均匀白光至被测物体,即可快速求解出相机和投影仪之间的响应函数,从而获得所需的投影亮度,使得测量速度有极大的提升。     

台阶状面形的投影栅线法测量技术

采用光栅投影式三维轮廓术测量物体三维形貌时，当物体是台阶状物体时，物体表面的光栅条纹有阴影，导致后面的叠相还原过程无法进行。为了解决这一问题，将被测物体放在精密的旋转平台上。通过2次成像后，对2幅图像进行图像拼接，得到清晰的被光栅调制的物体图像。在图像拼接时，引入区域黑白对比度概念，区域的黑白对比度最大位置就是黑白区域的分界线。从而精确确定中间块2个边界的位置,然后进行图像拼接。最后采用双频光栅的傅里叶变换轮廓术来实现物体的三维形貌重建。结果表明：本方法简单、精度高，可以成功解决投影时具有阴影物体的三维形貌重建问题。     

用于数字条纹轮廓术的一种基于广义分析模型的后滤波方法

由于数字投影和采集系统的非线性失真,传统的方法通常需对采集到的条纹进行低通或带通滤波从而抑制高次谐波并获取基频分量。基于广义分析模型针对数字条纹轮廓术提出一种对测量后的物体形貌进行后滤波的算法,消除了非线性失真对测量结果所造成的影响并提高了数字条纹轮廓术的测量精度。论述了条纹轮廓术的原理和广义分析模型,分析推导出后滤波算法。仿真和实验结果表明,后滤波方法能够快速准确地实现基于数字投影的三维形貌重建。     

水中物体的光学三维形貌测量的研究

提出了一种对水中物体进行光学投影式表面三维形貌测量的新方法。通常的测量方法都是假设摄像机和被测物体都处于空气中,测量水中物体时,由于光在空气、水分界面上发生折射,投射到被测表面的光条纹图像发生扭曲,从而给三角测量法带来误差。新方法可以精确测量出水中被测物表面的三维坐标并计算出物体的几何尺寸,实验验证了该方法的有效性。考虑折射后,该测量类似于在空气环境中的测量。采用的极线约束及亚像素技术,提高了测量精度和速度。     

二值条纹高速离焦投影的旋转风扇面形测量

傅里叶变化轮廓术将结构光投影与傅里叶条纹分析相结合,只需一帧变形条纹就可以重建被测物体三维面形,是动态三维面形测量中的首选。选择最适用于傅里叶变换轮廓术测量系统的二值条纹编码方法,对二值化后的正弦条纹进行离焦投影,既克服了普通商用数字投影仪的刷新频率限制和非线性响应影响,又能充分利用光学成像系统的低通滤波特性获得很好的高速正弦光场。设计搭建了一套高速离焦投影条纹并同步采集的三维面形测量系统,利用该测量系统对高速旋转的散热器风扇进行测量,得到任意采样时刻风扇扇叶的三维面形信息,重建完整的风扇转动过程。能进一步分析散热器风扇扇叶在高速转动过程中的形变,为散热器风扇材料选择以及改善其性能提供可靠的测量技术方案与原始数据,有效地拓展了动态三维面形测量的应用。     

基于错位格雷码的动态三维形貌测量方法

格雷码辅助相移技术可以实现具有较强鲁棒性与抗噪能力的三维（3D）形貌测量。为解决由待测物体不均匀的表面反射率、噪声和物体运动等因素造成的级次边沿误码问题，提出了一种基于错位格雷码的动态3D形貌测量方法。将传统格雷码图案在投影前预先移动半个条纹周期得到错位格雷码图案，再采用传统格雷码解码方法对二值化后的错位格雷码图案解码，可得到与截断相位完全错开的解码结果。对该解码结果进行修正后即可利用得到的正确的相位级次辅助截断相位成功展开。同时，为了提高测量精度，引入了一个虚拟相位平面以进一步拓展投影条纹周期数。实验结果表明，所提方法在使用N帧格雷码图案的情况下，可以编码周期数为2^N+1的投影条纹进行3D测量，其无需任何附加图案即可避免级次边沿误码问题，并有效提升了测量精度。复杂动态场景的3D重建结果证明，所提方法能够以2381 frame/s的速率实现高精度、高效率和高速的3D形貌测量。     

基于正弦和三角波条纹投影的三维测量方法

在现有的针对复杂物体表面形貌的三维测量方法中, 为了完成绝对相位的测量, 通常需要处理至少6幅条纹图像, 限制了测量速度。提出了采用2幅正弦条纹和2幅三角波条纹图来获得物体三维形貌的方法。利用两步相移正弦条纹和两步相移三角条纹得到截断相位, 再利用两步相移三角波条纹得到条纹级次, 减少了投影条纹幅数, 提高测量速度。在得到条纹级次时, 计算三角波条纹强度调制和强度对比度, 与计算相位相比, 可以减少数据处理的时间, 进一步提高测量速度, 同时能减小物体表面反射率的影响, 提高了测量精度。测量最大高度为39 mm的阶梯状标准块, 得到的最大绝对误差和最大的RMS误差分别为0.045 mm和0.041 mm。验证了该方法的有效性和实用性, 在高速实时的复杂形貌三维测量中有广泛的应用前景。     

单幅彩色条纹投影的不连续物体表面三维形貌测量

提出了基于单幅彩色条纹投影的不连续物体及动态三维形貌的测量方法。该方法利用计算机产生一幅正弦条纹图和两幅单一强度图分别通过红蓝绿三个通道合成为一幅彩色条纹图,由液晶投影仪投影到被测物体表面,彩色CCD采集变形条纹图并保存在计算机中。通过三色分离,同时获得正弦条纹图和反映表面反射率分布及背景信息图,通过图像除法运算及亚像素精度归一化处理实现物体三维形貌的恢复。对于表面形貌不连续的物体,利用蓝色分量的灰度图像进行二值化处理定位阴影或暗背景,从而引导正确的相位求解。实验验证了该方法对不连续物体动态测量方面的可行性。     

基于自适应条纹投影的高反光物体三维面形测量

结构光投影方法在三维形貌测量中应用广泛,但是由于被测物体表面反射率变化范围较大,过度曝光会导致相位信息无法获取。而传统的高动态范围扫描技术步骤复杂,耗时较长。文中提出一种自适应条纹投影技术,向待测物体表面投射较高灰度级的条纹图,判断并标记过度曝光点。降低投射强度后通过非线性最小二乘法拟合来确定每个饱和像素点最适合的最大输入灰度,用重新生成的自适应条纹图来采集图像并进行相位计算和三维形貌恢复。通过实验验证,该方法可以对物体表面的高反光区域进行有效测量,避免过度饱和,仿真误差在0.02 mm范围内,实测误差约为0.14 mm,实际实验对过曝点的补偿率可达到99%。     

基于双色条纹投影的快速傅里叶变换轮廓术

在实际傅里叶变换轮廓术测量中，获取的条纹图扩展的零频分量对傅里叶变换轮廓术的测量精度和测量范围有很大影响，甚至妨碍正确三维面形的恢复。π相移技术常被用来消除零频分量对测量的影响，但需要在测量系统中安装精密相移装置，并需要采集两帧具有π相位差的条纹图。传统傅里叶变换轮廓术中，完成精密相移需要较长的时间，影响了傅里叶变换轮廓术测量方法的实时性。提出了采用双色正弦光栅投影来实现从一帧条纹图中消除零频对傅里叶变换轮廓术测量的影响。该方法同传统的π相移方法相比，不需要相移装置，测量系统简单，并且能真正实现高速测量。     

应用神经网络的复杂物体三维测量

将神经网络引入基于结构光投影的复杂物体三维面形测量。在测量过程中,利用神经网络强大的函数逼近能力,得到离散条纹图的连续逼近函数,从中解出物体的相位分布信息,获得物体的三维面形分布。应用神经网络方法,在结构光投影条件下,只需要获取一幅条纹图,便可以完成复杂物体的三维面形测量。该方法相比传统的傅里叶变换轮廓术,不存在滤波操作,不会在测量过程中丢失被测物体的高频分量,具有更高的空间带宽积和灵敏度,能准确测量出复杂物体的细节,更加适用于恢复复杂物体的三维面形。并且该方法在条纹图存在阴影的情况下与傅里叶变换轮廓术相比,能更好地提取出物体的相位信息,恢复物体的三维面形。模拟及实验均验证了该方法的可行性。     

利用散斑嵌入条纹和查找表进行三维面形测量

为了快速、准确地重建复杂场景的三维面形,提出了一种利用散斑嵌入相移条纹图案和截断相位-高度查找表的三维面形测量方法。将散斑作为辅助信号嵌入到四步相移条纹图案的相位分布中,得到待投影的复合条纹图案。利用相移算法解调出被测物体的截断相位和额外的散斑信息。利用查找表得到截断相位对应的多个候选高度,再利用散斑对条纹周期进行标记以解决高度歧义问题,唯一确定截断相位所对应的正确高度,以实现被测物体三维面形的快速重建。该方法直接从截断相位信息中重建三维面形,无需投影任何附加图案,也无需进行相位展开。理论分析和实验结果表明,该方法可以实现动、静态复杂场景三维形貌的高精度测量且鲁棒性好。     

复用加权二进制编码条纹三维测量方法

二值条纹不受三维测量系统非线性伽马效应的影响，同时能显著提高投影效率。基于此，提出一种复用加权二进制编码条纹方法以实现三维测量。首先，对传统正弦条纹的灰度进行特定均匀采样，使用二进制编码条纹方法生成8幅二值条纹。然后，对二值条纹组合进行唯一化处理，将4幅相异的二值条纹投影到被测物体表面，对采集到带有物体表面调制信息的二值条纹进行复用二进制加权运算，生成调制后的正弦条纹。最后，对该方法开展了多组对照实验。实验结果表明，所提方法将用于加权生成正弦条纹的二值条纹优化为4幅后，仍然可以保持良好的测量精度和效果。所得标准球的局部点云与拟合标准球的平均距离，相比于传统三步相移技术降低了72.3%。     

基于循环反向编码的三维人脸测量方法

针对人脸测量时的抖动现象，设计了一种循环反向编码方法。该方法无需专门投影反向二值条纹辅助边缘点定位，减少了投影图案的数量。用循环的三帧条纹图像代替原本利用正反两帧条纹图像定位的方式，提高边缘点检测精度的同时能够有效消除定位偏差。实验表明，所提方法能够有效提高测量速度，同时保持较高的测量精度，减少点云中的运动波纹。     

调制度测量轮廓术在复杂面形测量中的应用

调制度测量轮廓术(MMP)是将物体的高度信息编码在投影到待测物面上的正弦条纹的调制度信息中,可以实现对物体的垂直测量,特别适合测量表面有高度剧烈变化或不连续区域的物体。探讨了基于傅里叶变换的调制度测量轮廓术在复杂面形测量中的应用,提出了调制度焦深的概念并详细分析了调制度焦深对测量的影响,以调制度焦深为基础从测量系统设计的角度提出了提高测量精度的具体措施,给出了实验系统设计方案,讨论了影响测量精度的几个实际问题及解决方案。对复杂面形和深孔物体的实测结果表明,基于傅里叶变换的调制度测量轮廓术测量复杂面形物体可以达到较高的测量精度。