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%。     

基于彩色编码光栅投影的双N步相移轮廓术

双N步相移轮廓术虽然可以大大降低由于光栅条纹的非正弦性所导致的相位误差,但增加了一倍的投影条纹数量,降低了测量效率。针对此问题,本文提出一种基于彩色编码光栅投影的双N步相移轮廓术,它将原相移条纹和附加相移条纹编码成双色条纹,融合到一幅彩色光栅条纹中投影,然后从采集的彩色条纹中提取两套条纹的相位信息,分别解包裹相位后,融合两包裹相位以减小相位误差。为验证所提方法的有效性,将该方法与两种典型的相位展开算法结合进行实验。实验结果证明,所提方法能有效降低相位误差,且不需要增加任何额外的光栅条纹,测量效率提高了46%。     

基于二进制条纹加相位编码条纹离焦投影的三维测量方法

复杂表面的精密三维测量在工业无损检测中非常重要。二进制条纹离焦投影方法在快速三维测量中有重要的应用前景,但该方法难以实现复杂表面高精度三维测量。为此,提出了基于二进制条纹加相位编码条纹离焦投影的三维测量方法。由于离焦投影滤除了高次谐波和高频噪声,可以克服投影仪的非线性伽马效应,与传统投影正弦条纹方法相比,提高了其测量精度。针对离焦投影时,随着相位编码条纹频率增大,条纹级次判决困难,出现周期错位,导致相位解包裹出错,提出了相移编码方法来解决以上问题。采用相移编码方法校正周期错位,使条纹级次判决准确,进一步提高其测量精度。实验结果表明,其测量精度可以达到0.044 mm,验证了本方法的有效性和实用性。     

基于N元正弦码元的时间相位展开

提出了一种N元编码时间相位展开方法来实现彩色复杂物体的三维测量。传统的阶梯状条纹在测量整个表面反射率范围较大的物体时，条纹数量过多会导致量化困难。利用从相移条纹中提取的N元正弦码元替换传统的量化灰度码元，通过进制转换将N元正弦码元嵌入到所要投影的条纹中来实现条纹级次的编码。在解码时，先通过编码条纹与N步正弦相移条纹的差异逐点计算N元量化条纹，再根据对应的逆进制转换获取唯一的条纹级次，最后利用截断相位消除条纹级次边缘处的错位误差。实验结果表明，相比传统的时间相位展开方法，所提方法有效提高了编码效率，并在测量彩色复杂场景时表现出了较高的鲁棒性。     

离焦条纹投影三维测量中正弦光栅的二值化方法研究

采用离焦二值条纹投影技术进行三维面形测量可以克服数字投影仪的非线性响应,同时有利于提高投影速度,实现高速测量.通过理论分析和实验研究了采用数字投影仪时二值条纹的基频、高次谐波能量分布与条纹周期的关系.结合相移算法,以相位测量误差为指标,衡量各种二值条纹的性能.研究结果表明:在周期小时,罗奇光栅和二维误差扩散算法生成的二值条纹离焦后能产生正弦性较好的条纹;在采用满周期等间隔奇数次相移时,罗奇光栅离焦能获得更高的测量准确度;在周期大时,采用优化脉宽调制方法得到的二值光栅离焦测量准确度最高.研究结果为离焦条纹投影三维测量中二值光栅的选择提供了依据.     

用于绝对相位还原的对称式和非对称式二元结构光编码

基于邻域分析的相移法不适合阶跃场景测量且往往会造成相位误差的积累,为此提出了用于获取绝对相位的对称式和非对称式二元阶梯相位结构光编码方法.两种方法编码图案不同,对称式编码方法编码图案黑白条纹的宽度相等,非对称式不等.通过投影多帧二元结构光编码图案,结合相移法相位提取公式获得阶梯相位.测量时,基于传统正弦条纹投影和相移法获得高准确度包裹相位,并用阶梯相位确定对应包裹相位的级次.根据级次直接进行相位展开,进而获得绝对相位.以量块作为测量对象,两种方法的测量均方根误差达到0.072mm.两种方法均能够有效还原阶跃场景,实现三维重构.     

基于梯形与正弦相移算法的非线性误差校正北大核心CSCD

相移轮廓术是一种广泛使用的光学三维测量方法,其精度不仅受相位展开算法本身的影响,也受测量系统中投影仪和摄像机的非线性影响。理论上,投射更多的相移条纹可减弱非线性误差的影响,但是增加了测量时间。为了提高误差校正的效率,提出了一种基于梯形正弦相移的测量方法。该方法需要两组改进的梯形相移条纹和一幅正弦条纹。梯形条纹提供图像强度信息和条纹级次信息,图像强度信息用来求取系统的非线性响应曲线,进一步消除系统的非线性。正弦条纹经过希尔伯特变换可求得额外的条纹图像,用来计算截断相位信息。经过校正的截断相位信息,可进一步获取精度较高的三维信息。相较于先前的梯形与正弦误差校正方法,该方法的测量效率提高了28%。     

离焦投影三维测量的二值光栅生成方法

投影仪离焦技术克服了光栅投影三维测量中的投影仪非线性问题,但二值光栅存在的高次谐波会降低生成光栅的正弦性,从而引入相位误差。提出一种二值光栅图像生成方法,基于正弦光栅图像所具有的对称性和周期性,选取了尺寸较小的二值块。然后对所选块进行随机初始化,再采用多像素跳变方法对二值块进行优化,根据优化所得的二值块生成整幅二值光栅图像。最后结合相移算法,在投影仪离焦测量环境下,计算得到三维测量所需的相位信息。相较于传统二值光栅图像生成方法,所提方法能够保证高质量相位信息获取,且适用于不同程度的离焦测量环境。仿真及实验验证了所提方法更加适用于离焦投影三维测量。     

利用遗传算法优化误差扩散核参数的条纹二值编码方法研究

二值条纹投影图像在高速、高精度的三维面形测量领域应用广泛,而提高二值编码条纹的正弦性对于提高三维面形的测量精度具有积极意义.传统及改进的误差扩散核多采用普适的扩散核对条纹图像进行二值编码,较少考虑图像特征与投影离焦程度对相位提取精度的影响.首先利用遗传算法的思想来寻求更佳的误差扩散核系数,然后通过线性拟合来构建与离焦程度以及正弦条纹周期相关的优化目标函数,最后得到优化二值编码条纹正弦性的误差扩散核.仿真和实验分析结果表明,在不同尺寸的窗口下,不同周期有最小相位误差的误差扩散核且它们各不相同,证实扩散核对图像的二值编码质量与图像特征有关.实验进一步证明,大中小三种离焦程度下,所提算法的相位误差较普适的Floyd-Steinberg扩散法可分别减小43.86％、64.37％和50.10％,所提算法的相位误差较改进的Floyd-Steinberg扩散法可分别减小13.51％、18.48％和17.65％.     

抑制高阶谐波误差的随机相移条纹分析算法

高阶谐波和随机相移误差是影响条纹分析精度的主要因素。为了同时解决这两个问题,提出了基于频域滤波的迭代相移算法。该算法采用巴特沃斯低通滤波器,从频域上滤除条纹的高阶谐波分量,再运用最小二乘迭代方法从三帧随机相移条纹图像中提取相位信息。数值模拟和实验结果表明,该算法可有效地抑制由高阶谐波和随机相移引入的波纹误差,误差PV值和RMS值分别为0.368 8 rad和0.025 3 rad,其精度高于传统的三步相移算法和Wang算法。该方法适合于高精度干涉测量和三维物体表面轮廓测量。     

用于三维测量的快速相位解包裹算法

减少条纹投影轮廓术的条纹图数量一直是本领域的研究热点。传统的时间相位解包裹算法,一般需要额外的条纹信息来确定条纹级次,导致条纹图数量过多。提出一种用于三维测量的快速相位解包裹算法,只需要N步标准相移正弦条纹图,就可以完成绝对相位的计算。首先,利用标准相移算法计算包裹相位和消除背景的掩膜;然后,直接利用包裹相位和掩膜,根据连通域标记算法计算条纹级次,进而求得绝对相位。该方法最少只需3幅条纹图,就可以完成三维测量,数据处理速度快。计算机仿真和实验结果验证了该方法的有效性和鲁棒性。     

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。     

提高多频条纹投影相位提取精度的反向误差补偿法

为了减小光栅投影三维测量系统中数字投影仪的非线性响应引起的相位误差,提出了一种提高物体相位测量精度和速度的多频条纹反向相位误差补偿方法。该方法通过投影与最高频率相同且具有特定相移量的补偿相移条纹图,获取相位误差大小相等,符号相反的两幅主值相位图,二者运算后误差得以抵消,与多频法相结合从而得到精确的绝对相位值。采用标准平面对提出的方法进行实验验证,并与最近提出的希尔伯特变换补偿方法以及典型相位补偿方法进行比较。实验结果表明,所提方法能有效提高相位测量的精度和速度。通过对自由曲面以及表面不连续物体进行相位误差补偿,进一步验证了该方法的可行性和有效性。     

一种新的快速解相位方法

提出了一种快速可靠的4步相移编码-解相位算法。通过对中心条纹的光强进行摄动,将编码信息加入到基本相移光栅中,使4幅基本相移图不但包含了相位场主值信息,还包含了解相位所需的编码信息。建立了摄动度函数描述相移图的摄动信息进而得到编码信息,解出完整的相位值。对摄动度函数的误差和噪声进行分析,提出方向滤波方法来消除噪声,极大地减少了编码信息的误判情况。仿真和实验证实了本算法的可行性。与传统相移法相比,解相位的速度和可靠性得到明显的提高。     

一种基于复合斜条纹的相位测量偏折术方法

在相位测量偏折术（Phase Measuring Deflectometry,PMD）中为获取面形梯度,需要分别获取水平和垂直相移条纹图像,因此所需图像通常较多。为了减少条纹投影幅数,提出一种新的基于复合条纹的相位获取方法,通过将水平和垂直相位信息叠加形成斜条纹,实现基于5幅复合斜条纹的相位获取方法,相位测量精度高于5步正交光栅相移方法。进一步当系统存在非线性响应时,提出了基于7幅斜复合条纹的相位获取方法,可有效消除系统2阶非线性误差。计算机仿真和实验表明所提方法切实可行,其测量精度高于采用同样帧数的正交条纹方法。     

基于傅里叶频谱分析的相位测量轮廓术系统Gamma非线性校正方法

数字投影和成像系统的Gamma非线性效应是导致相位测量轮廓术（PMP）测量误差的重要原因。目前大多采用多帧条纹图进行Gamma校正,使测量的实时性受到限制。提出了一种Gamma校正方法,利用正交光栅像的傅里叶频谱分布计算Gamma值,再根据此Gamma值对投影相移条纹进行Gamma逆变换,实现投影条纹输入值的提前校正,以获取具有良好正弦性的结构条纹,从而降低PMP相位测量误差。校正过程中只需一帧条纹图,而且考虑了测量系统的离焦效应。实验证实了该方法的有效性和正确性。     

基于圆形条纹投影的相位测量轮廓术研究

编码的圆形正弦条纹在圆心具有零相位,该点可以作为后续相位计算和展开的参考.但是圆形条纹提供的载频相位具有非线性特点,当其用于三维面形测量时,如果圆心在物面上,获取物面高度信息的方法与投影单频直条纹的情况不同.研究基于圆形条纹投影的相移轮廓术,讨论了物面高度引起的图像点坐标的位移量和绝对相位的计算方法,并完成相应的误差分...     

基于相位预测的在线三维测量像素匹配方法

物体的运动使变形条纹图中物体像素点不对应,因此需要对物体做像素匹配。提出了一种基于相位预测的在线三维测量像素匹配方法。仅投一帧正弦光栅条纹到在线运动的物体上,CCD同步采集相同步距时刻受物体调制的变形条纹图。采用傅里叶变换轮廓术(FTP)方法对采集的变形条纹预测物体不同位置的相位信息,并以该相位信息的特征做像素匹配,实现了物体在各帧条纹图中的像素一一对应,同时匹配后的变形条纹产生等效的等步相移,进而采用等步长相移算法来重构在线运动物体的三维面形。计算机模拟与实验验证了该方法的有效性和可行性。同时,与在线FTP方法进行比较,在线FTP方法和本文方法的均方根误差分别为1.013mm和0.024mm,表明该方法对在线三维测量具有较高的测量精度。     

相位测量偏折术中高质量条纹的获取

相位测量偏折术中的相位误差主要分为CCD相机的随机误差以及由结构光照明光源与CCD相机的非线性响应导致的非线性误差。从影响相位误差的根源分析,建立了条纹质量与相位误差、相机镜头光圈数、编码条纹的周期、调制度等因素的分析模型,并对该模型的可靠性与正确性进行仿真与实验验证。理论分析、仿真与实验结果表明:获取条纹的对比度与相机镜头光圈数、编码条纹的周期和调制度成正比,获取条纹的正弦性与相机镜头光圈数、编码条纹的周期及调制度成反比。根据该条纹质量分析模型优化系统参数,可以获得高质量的条纹。该条纹质量分析模型同样适用于面结构光三维测量等其他技术。     

投影条纹相移法中图像饱和误差抑制算法研究

针对投影条纹相移法三维形貌测量中的图像饱和误差进行了深入研究,分析了基于条纹相移技术的图像饱和误差抑制算法的适用范围,推导了基于六步相移的饱和误差抑制算法公式.理论分析表明,相移条纹图的帧数越多,饱和误差抑制算法的适用范围越广.并通过数值模拟和实验进行了验证,基于六步相移的饱和误差抑制算法可以更加有效地抑制图像饱和引起的相位误差.