基于四步相移光栅投影的三维形貌测量系统

为了实现对具有明显跳变面物体的轮廓测量,建立了四步相移光栅投影的三维形貌测量系统,并对所采用的四步相移测量算法进行研究.在介绍四步相移原理的基础上以有明显跳变面的三棱锥橡皮块为例,建立针对明显跳变面的测量算法.通过对4幅相移图算术求和并除以4得到平均灰度图;将平均灰度图二值化处理定位明显跳变面或阴影部分;将二值化图像与包裹相位图卷积,而后对包裹相位图进行解包裹,从而得到正确的连续相位,最终获取物体三维形貌.根据上述算法测量三棱锥的三维形貌并计算其体积,测量实验表明:被测物的体积平均相对精度为0.47％.     

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。     

基于双频彩色条纹投影的相位测量去包裹方法

为了提高测量速度,提出一种基于双频彩色条纹投影的相位测量去包裹方法,只需采集一帧图像,就能实现高速测量以及动态物体轮廓测量中的相位去包裹。论述了双频相位测量和变精度去包裹原理,并详细分析影响测量精度的因素。该方法采用计算机生成一帧双频双色正弦条纹图,用液晶数字投影仪投影,并用傅里叶变换的方法对两个单色条纹图进行分析,获得高低两种精度的被测物体高度信息,从而进行变精度去包裹处理。结果表明,利用该方法提高了测量速度,可得到较高的去包裹精度,其测量最大绝对误差为 1．413～-1．582 mm,标准差为0．363 mm。     

大动态范围形变测量

本文对激光散斑物体轮廓及形变测量和相移轮廓测量原理进行类比,首次提出大动态范围物体三维轮廓及形变测量方法。该方法具有测量原理简单、系统操作简便、测量精度高、测量动态范围大等特点,形变测量范围从亚微米级到毫米级。另外本文还推导了基于减模式激光散斑物体轮廓及形变测量的相位值计算公式。     

基于格雷码和相移算法的动态三维测量技术

格雷码辅助实现的相位测量轮廓术具有较好的鲁棒性和抗噪能力,是三维测量领域的一个研究热点。在已有测量方法的基础上,提出了一种把格雷码嵌入相移条纹进行复合图案投影的三维面形测量方法,通过将传统的3幅格雷码图案整体向右移动半个条纹周期,共得到6幅格雷码图,将其交替嵌入三组相同的四步相移条纹中并结合二值离焦技术依次进行投影。通过拍摄得到一系列变形复合条纹图案后,沿时序综合前后三组变形复合图案信息并进行解码,从而获得两组错位的条纹级次,这可从源头上避免格雷码级次边沿的错误;同时采用传统相移算法计算得到对应的截断相位分布,时序上的综合解码结果可用于指导截断相位产生并重建被测物体的三维面形信息。静态和动态场景的三维测量实验结果验证了该方法的可靠性、高效性和鲁棒性。该方法每多记录5幅图案就可以对应新重建出一个三维面形,在高速动态三维测量中具有较好的实用性。     

一种无需标记的在线三维测量方法

提出了一种无需标记的物体在线三维面形测量方法。将一固定的正弦条纹投影到待测运动物体上，借助物体运动产生等效的相移变形条纹。基于傅里叶变换轮廓术的调制度对各帧变形条纹计算，提取其具有某一特定分布的特征区域，采用相关度最大法，检测各帧变形条纹对应的调制度特征区域的位移量来检测出物体的移动，从而实现像素匹配，得到一组像素坐标完全一一对应的等效相移变形条纹图。利用Stoilov相移算法得到物体的截断相位，利用位相展开算法展开位相，通过位相和高度映射即可实现在线移动物体的面形测量。通过计算机仿真验证了该方法的可行性。     

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%。     

基于体视显微镜的三维显微表面测量系统

将条纹投影轮廓测量术和体视显微镜相结合，搭建了一套能够对微小器件的表面三维形貌进行测量的系统。该系统由一台Greenough型的体视显微镜，一台DMD投影仪，一个CCD相机和一个机械平移台组成。在利用相移算法和降级去包裹算法得到被表面形貌调制过的无歧义相位后，通过相位和高度的映射关系，得到高度值，从而能够对微小器件的表面形貌进行重建。在标定时，通过精密的机械平移台将陶瓷标定板置于不同的高度，对其进行相位测量，得到多组相对应的相位和高度值，再对每个像素点进行多项式拟合来确定相位和高度的映射关系。实验测量了标定的最后一个平面以及微型的球栅阵列，平面测量结果显示测量误差在10 μm以内，从微型球栅阵列的三维重建结果可以清晰地看到排列的球形结构。实验结果证明了该系统对于平面和复杂的三维结构都能够进行精确的测量。     

基于正弦条纹投影的三维传感及其去包裹处理

采用液晶显示（LCD）投影仪产生的正弦条纹,用四步相移技术对物体进行了三维形貌测量,重点讨论了去包裹问题,对大面积相位间断区的模板标识及含离散相位间断点条纹图的去包裹总是提出了新的处理方法,给出了实际测量及计算结果。     

利用电子散斑相移技术测量物体三维面形的方法

为了获得准确的面形测量,提出了一种相移电子散斑干涉技术测量物体面形的测量方法.利用电子散斑干涉产生载波条纹,该载波条纹受到物体表面高度的调制变得弯曲,引起载波条纹相位的变化,可运用相移技术提取物体的相位信息,最后根据高度和相位之间的关系得到物体的面形.介绍了该方法的原理,利用该方法对球冠物体进行了面形测量,证明该方法测量物体面形是可行性的.由于是采用散斑干涉的方法产生干涉条纹,因此该方法测量物体面形具有灵敏度高的优点.     

光学投影式三维轮廓测量技术综述

主要用于散射物体的宏观轮廓测量的光学投影式轮廓测量技术可以分为两大类：直接三角法和相位测量法。直接三角法包括激光逐点扫描法、光切法和新近出现的二元编码图样投影法。相位测量法以测量投影到物体上的变形栅像的相位为基础，包括莫尔法、移相法、傅氏变换法等等。本文以基于相位测量和光栅投影法为重点综述了光学投影式轮廓测量技术的几种典型方法，讨论了它们的优缺点，并分析了研究热点和发展方向。     

两步相移实现投影栅相位测量轮廓术

提出一种新的投影栅相位测量方法--两步相移法。该方法只需两幅相移条纹图，因此计算量小，速度快。给出了实验及计算结果，并同四步相移法进行了比较，证明了该方法具有较高的精度。     

Surface profile measurement of low-frequency vibrating objects using temporal analysis of fringe pattern

A simple and accurate algorithm (phase scanning method) is proposed for 3D surface contouring and dynamic response determination of a vibrating object. A sinusoidal fringe pattern is projected onto a low-frequency vibrating object by a programmable liquid crystal display projector. The fringe patterns are captured by a high-speed CCD camera with a telecentric gauging lens. Phase values are evaluated point by point using phase scanning method. From the phase values of each point on the object, the contour of the specimen at different instants of vibration can be retrieved. In this paper, a small vibrating coin is used to demonstrate the validity of the method and the experimental results are compared with test results on a stationary coin using four-step phase shifting and fast Fourier transform methods. The technique is especially useful in applications where the vibrating object has a complicated shape.     

基于偏振位相调制的位相轮廓测量

本文介绍了一种用来测量三维物体面形的位相轮廓方法，它是通过将正弦光场投影到被测物面，该光场被物体表面调制后发生位相改变，利用偏振位相调制及位相检测算法计算物面的位相分布，再根据几何关系实现对物体三维形貌的测量。实验装置采用一种偏振位相调制的干涉光场投影装置对光场进行简便而精确的移相，采用ＣＣＤ摄像机记录畸变光场，并用计算机处理和显示测量结果。文中给出了有关实验结果。     

Phase shifting grating-slit test utilizing a liquid crystal display

A quantified focal plane testing method, termed phase-shifting grating-slit test, is demonstrated by utilizing a micro liquid crystal display. In contrast to the setup in the Ronchi Test, an incoherent illuminating grating is used and an optical slit is located at the image plane of the tested lens to modulate the aberrated wavefront. With the micro liquid crystal display generating and phase shifting the incoherent illuminating grating with variable frequency, a higher measurement dynamic range can be achieved on demand.     

双频相位测量轮廓术及其误差分析

提出一种双频相位测量轮廓术，利用这一技术。在相位恢复过程中，对有断点及边界区域也能得到正确的去包裹相位值，把这一技术用于三维面形测量中，得到了较好的实验结果。最后，分析实验产生误差的原因。     

基于相移的彩色结构光编码三维扫描技术

在物体三维轮廓扫描中,被动式双目立体视觉方法对表面特征不明显的物体难以获取足够的三维信息,针对这一问题,基于双目立体视觉原理,结合主动视觉中结构光投射方法,提出了基于相移的彩色结构光编码方法。该方法将四种颜色按照全排列的相关性质编码产生彩色光栅投射在被测物体表面,依据光栅相位移动增大光栅密度,结合极线约束实现立体匹配,最终获取物体三维数据。结果表明使用该三维扫描技术得到的三维曲面符合原物特征,特别适用于物体三维轮廓的致密测量。     

Realtime 3D profile measurement by using the composite pattern based on the binary stripe pattern

In this paper, a one-shot composite pattern based on three-step binary stripe pattern is developed to meet the demand of real-time 3D shape measurement for complicated objects. Theoretical analysis and numerical simulation prove that the proposed pattern can provide higher accuracy than the composite pattern based on the traditional three-step phase shifting. Furthermore, the significant advantage for the proposed composite pattern is that it can provide the unique location of the stripe boundary, resulting in the elimination of the ambiguity which usually arises for measurement of complicated object with the phase shifting method. The proposed composite pattern has been implemented to measure three different complicated objects. The results demonstrate that it is appropriate for the real-time 3D shape measurement.     

相移测量技术中相移器研究

本文介绍一种用于相移测量技术的相移器。该相移器由计算机通过Ｄ／Ａ接口板自动控制输出电压幅度，其电路采用闭环控制，位移由压电晶体产生，具有很高的电压稳定度（０１％）和较小的相移误差（小于３°）。描述相移器的结构、驱动源工作原理及相移器标定方法