利用双频外差和时空相位展开实现三维测量

为了使用高频条纹实现对物体三维形貌高精度快速测量,提出了一种利用双频外差和时空相位展开实现三维测量的方法。该方法仅投影两套高频条纹图片,利用双频外差方法计算出一个频率较低的截断相位分布,经空间相位展开得到其对应的连续相位,用于指导高频条纹截断相位展开,获得三维重建需要的绝对相位分布。该方法对双频外差后的低频截断相位上进行空间相位展开,降低了空间相位展开难度,增加了双频条纹投影三维测量的适用范围。实验结果表明该方法的STD误差为0.06 mm。该方法利用两套高频正弦条纹、不增加投影第三个频率条纹图的情况下,实现了高精度快速三维形貌测量。     

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。     

相位测量轮廓术中时空结合的三频相位展开

提出了一种时空结合的三频时间相位展开方法,提高了三频时间相位展开方法的抑噪能力和相位展开的可靠度。在所提方法中,用灵敏度大于1的条纹代替传统三频时间相位展开法中灵敏度为1的条纹。通过计算这些条纹的截断相位,对其进行空间相位展开,并利用这些展开相位来指导其他两帧高灵敏度截断相位图的展开。与传统三频时间相位展开方法相比,在最高灵敏度条纹空间频率相同的情况下,所提方法缩小了三套条纹之间的频率倍数差,进而减小了噪声对相位展开的影响,提高了三频时间相位展开的可靠度和精度。     

基于二元光栅特征提取的相位展开方法

传统基于正弦光栅相位测量轮廓术中,相位因反正切运算而被截断在(-π,π]之间,需要利用菱形等相对相位展开算法进行展开,容易产生相位误差累计,甚至无法展开相位;或者利用投影辅助格雷码等额外结构光场来确定条纹级次,避免相位误差累计,实现相位的展开.提出了一种基于二元光栅特征提取的相位展开方法.通过投影一组相移二元光栅来实现...     

非单调条纹图的相位恢复新方法

在连续小波变换和展开相位拐点识别的基础上,提出一种非单调条纹图的相位恢复新方法.包裹相位通过连续小波变换的方法提取,提出小波变换尺度步长的选择准则及对粗糙尺度作迭代均值滤波的技术.基于展开相位拐点与符号歧义点的单应性,可通过检测并修正展开相化拐点的方法恢复非单调条纹图的真实相位.给出了详细的理论推导、数值模拟及实验验证过程.数值模拟包括一维及二维的含噪声信号,实验为基于显微干涉法的微桥的静动态形貌和变形测试.模拟及实验结果表明,该法只需一幅条纹图即可准确解调非单调条纹的相位,最大误差小于4%,且具有极强的抗噪能力.这为显微干涉测量提供了有效的相位恢复新手段.     

相位移法中的量化误差效应

对相位移测量技术中的条纹强度量化所引起的相位误差进行了定量研究，给出了相位测量误差与条纹强度误差之间的统计关系式，对条纹强度量化误差进行傅时叶级数展开，并利用条纹强度与相位的关系求得该级数的系数，进而得到的标准Ｎ幅算法的相位的解析表达式，最后对强度量化误差效应的一些影响因素进行了讨论。     

改进的次条纹积分相位分析技术

条纹花样的单帧相位解调算法在实时、动态测量技术中具有广泛应用。次条纹积分算法具有较高抗噪能力,但其采用载频近似估算形变条纹周期时存在频率失配的固有缺陷,提出一种改进的次条纹积分算法,对条纹的局域频率进行探测,利用局域频率进行次条纹积分,然后再计算相位。模拟实验表明,改进算法的最大误差约为原算法的1/3,并通过条纹投影轮廓术实验进一步证明了改进算法的有效性,为单帧条纹相位分析技术提供了一种可供选择的新算法。     

基于格雷码的分区间相位展开方法

格雷码因具有良好的鲁棒性和抗噪性,被广泛应用到结构光投影三维成像方法中。在三维测量过程中,由于设备以及其他环境噪声的影响,格雷码方法解码条纹级次边沿和截断相位边沿通常无法处于理想的对齐状况,使得展开的相位出现跳变现象。为了更好地避免级次跳变误差,使得边沿跳变区域的容错宽度更大,提出基于格雷码的分区间相位展开方法。在互补格雷码基础上增加一幅格雷码图像,利用所有格雷码解得附加码字,通过对附加码字进行不同位移量的条纹级次映射,得到2个辅助条纹级次。利用所有条纹级次,对截断相位进行分区间相位展开,在边沿跳变区域错误大于半个周期时,仍能获取到无跳变现象的展开相位。实验结果表明,当边沿错误区域宽度小于3/4个条纹周期宽度时,可以有效避免级次跳变产生的误差。     

基于多频外差原理的相位解包裹方法

根据多频外差原理推导了三频光栅条纹解包裹的过程,获取了光栅条纹的绝对相位值。同时,为了减小误差,提高测量精度,提出了一种相位修正的方法,比较了相位修正前后的相位图,表明该方法能够非常有效地去除相位误差。通过将修正后的绝对相位值作为匹配的一个特征量,利用机器视觉中双目立体视觉的方法求取物体的三维特征。实验证实了该方法的可行性,并得到良好的测量结果。     

一种新的单幅条纹图的相位解调方法

基于非载波条纹图的条纹灰度分布的极值准确定位,提出了一种新的由单幅条纹图解调相位方法.该方法首先准确定位每个条纹灰度的极值包括最大和最小,再基于极值图将条纹的强度值分布线性地变换到-1和1之间,最后利用arcos反余弦取代传统的atan2反正切算法求出相位,结合极值图就能快速准确地解调出含有封闭条纹的条纹图相位.本方法仅用一幅条纹图,不需要传统的条纹定级和对分数级条纹插值与拟合,自动判别条纹相位变化的波谷,准确获得条纹相位分布.这一方法使光测法研究动态和瞬态问题成为可能,而不需引入载波法调制条纹.文中通过实例说明了本方法的处理过程.     

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。     

一种针对彩色物体的光栅投影三维测量方法

针对传统彩色编码光栅三维轮廓术中光栅易受到物体表面彩色纹理的干扰,从而造成编码条纹颜色误判和相位误差增大这一问题,提出一种基于互补彩色光栅的三维测量方法,给出了理论分析、光栅设计原理、补偿算法与实验分析。对图像进行初步的解耦校正后,通过预先设计的光栅互补特性,依据彩色响应模型求取物体表面逐点的反射率,并对红绿蓝(RGB)三通道反射率的不平衡进行补偿,消除物体表面彩色纹理的干扰,改善光栅的正弦性。以补偿后的图像来指导彩色编码条纹的分割解码并用傅里叶变换法提取出包裹相位,依据解码结果指导相位展开,继而完成整个三维测量过程。实验证明该方法对彩色纹理的补偿准确有效,降低了彩色纹理对测量的影响。     

3-D shape measurement based on complementary Gray-code light

A combination of phase-shift with Gray-code light projection into a three-dimensional (3-D) measurement system has been exploited to digitalize 3-D shape information of a tested object, even with a discontinuous surface. Unfortunately, the phase unwrapping will fall into an error, when an improper value of Gray coding is caused by mistake at the partial boundary of two adjacent binary words. To this end, a new complementary Gray-code method is proposed in this paper as well as the corresponding phase-unwrapping method. This problem of phase unwrapping could be cleverly solved by projecting an additional Gray-code pattern to extend this code and using the different and complementary boundary locations of the traditional and additional codes. The results of computer simulation and experiment confirm that this proposed method based on complementary Gray-code can reliably reconstruct the nature phase distribution of the tested object with only one extra fringe pattern.     

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%。     

Robust wrapping-free phase retrieval method based on weighted least squares method

Phase unwrapping is one of the most challenging processes in many profilometry techniques. To sidestep the phase unwrapping process, Perciante et al. (2015) proposed a wrapping-free method to retrieve the phase based on the direct integration of the spatial derivatives of the fringe patterns. However, this method is only applicable to objects with phase continuity, so it may fail to handle fringe patterns containing complicated singularities such as noise, shadows, shears and surface discontinuities. In the light of this problems, a robust wrapping-free phase retrieval method is proposed that is based on the combined use of Perciante's method and the weighted least squares method. Two partial derivatives of the desired phase are obtained from the fringe patterns, while the carrier is eliminated using the direct phase difference method. The phase singularities are determined using a derivative variance correlation map (DVCM), and the weighting coefficient is obtained from the binary mask of the reverse DVCM. Simulations and experiments are conducted to prove the validity of the proposed method. The results are analyzed and compared with those of Perciante's method demonstrating that in addition to maintaining the advantage of sidestepping the phase unwrapping process, the proposed method is available for measuring objects with some types of singularities sources.     

利用颜色编码辅助计算绝对相位的傅里叶轮廓术

针对传统去卷积算法时间需求的弊端,提出一种新的使用颜色编码辅助的绝对相位并行计算方法。该算法采用对光栅数目需求最少的傅里叶变换轮廓术（FTP）做为卷积相位求取的方法;颜色编码光栅被用来标识轮廓的序数。直接使用FTP计算出的卷积相位以及从彩色光栅中获得的轮廓序数,即可方便求出当前像素的绝对相位值;同时只用一副图像标识轮廓序数也比其他轮廓序数标识方法简单。本方法由于使用绝对相位计算方法,局部相位误差不会扩展。实验结果也证明了此算法对于多个分离物体以及复杂物体的有效性。     

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。     

仿视觉过程的相位展开方法

在所有基于条纹分析的光学测量中,相位展开问题是难以避免的问题。所有传统的相位展开方法的共同点都是在相主值图中通过邻域内相主值差和寻找无噪声的相位展开路径来完成的。如果不利用整幅图像像素间的联系,则误差会沿展开路径传播。根据人眼识别栅线图周期的过程提出了一种与以往完全不同的相位展开方法。经过初步提取周期分界线、修补分界线和根据分界线确定周期三个步骤即可完成相位展开过程。该算法的原理简单明了,实现起来相对简单,只需单幅条纹图像即可得到周期,因而可用于动态测量。实验结果验证了该算法的可行性。     

基于希尔伯特变换的干涉条纹相位解调新算法

提出了一种新的应用希尔伯特变换解调干涉条纹相位的算法,可以从单幅干涉条纹图中解调出全场相位分布.在实际应用中,常借助傅里叶变换实现希尔伯特变换算法,但是会忽略负频率成分,造成相位信息的丢失.对于相位分布非单调变化的干涉条纹,提出了一种判断函数,用来计算相位信息零频率点的分布.利用相位的零频率点分布构造了一个二元模板,使用该模板对本文提出的两次希尔伯特变换法产生的包裹相位图进行修正.对修正后的包裹相位图进行解包裹处理,可以得到连续的全场相位分布.对该方法用计算机模拟进行了验证.