条纹投影三维测量的Gamma畸变校正方法

Gamma畸变是影响条纹投影三维测量精度的重要因素,为提高条纹投影系统的测量精度,通过分析Gamma值与谐波系数的定量关系研究了一种准确、简便的Gamma系数预标定技术。在仿真实验中,通过该方法将Gamma校正前后的相位平面与标准相位平面之间的误差降低了一个数量级,提高了测量精度。搭建了条纹投影实验系统,对人嘴雕像进行三维重建,并对Gamma畸变校正前后的测量结果进行了对比分析,验证了该方法的有效性。     

傅里叶变换轮廓术中相位失真的预矫正方法

介绍了一种基于傅里叶变换轮廓术的三维面形测量系统中相位失真的预矫正方法。由于投影系统和成像系统的空间三角位置关系、投影仪的发散照明和两套系统蕴含的光学畸变,投影一幅相位与空间坐标成理想线性关系的标准正弦光场,拍摄到的条纹相位和空间坐标不再呈线性分布,引起相位失真,甚至会影响系统测量精度。该方法借鉴反向条纹投影的思想,计算拍摄光场的非线性相位分布与理想的线性相位分布之间的关系,预先矫正,反算出一个新的待投影光场。实验结果表明这种方法能有效地减小该类相位失真所导致的测量误差,获得了更好的测量结果．     

一种基于参数标定的投影条纹周期简易校正方法

基于三角测量原理的条纹投影轮廓测量系统中,倾斜投影到参考平面上的条纹将产生周期展宽现象,引起相位失真甚至影响测量精度。论文以条纹位置为控制变量推导出条纹周期校正的线性数学模型,通过简便的标定获得模型参数,由此反算出新的待投影条纹,并在参考平面上获得周期分布的投影条纹。实验结果表明校正后的条纹周期变化范围在±0.1像素内,并且该方法能够获得更为精确的三维轮廓测量结果。     

Gamma畸变的相位误差模型与Gamma标定技术

Gamma畸变是数字相移测量技术的主要误差源。以通用的均匀步长相移技术为对象,分析了Gamma畸变对相位计算的影响,建立了相位误差与谐波系数的关系模型,证明了各阶谐波系数在Gamma值影响下的递推公式,进而提出了基于离散傅里叶变换的Gamma标定技术。基于此Gamma标定值,通过Gamma预矫正降低相位误差。实验结果表明,标定的Gamma值在整个像平面具有较强的稳定性,Gamma矫正后使相位误差减小了77.5%,在曲面测量的结果中,水波纹明显得到抑制,曲面质量得以提高。     

基于校正多相位快速傅里叶变换算法的叠栅条纹相位差测量

叠栅条纹相位差测量是光栅位移测量中的关键技术,在两块光栅相对运动过程中,叠栅条纹信号的频率会因光栅夹角误差的存在而发生偏移,采用传统多相位快速傅里叶变换(MPFFT)算法计算任意时刻叠栅条纹相位值会产生测量误差,导致相位差测量不准确。为了减少频偏所产生的相位测量误差,提出了一种校正MPFFT相位测量算法,推导出了基于相位差校正法的MPFFT谱校正模型。仿真结果表明,在无噪声情况下,当光栅夹角误差为0.1°时,信号的最大频率偏移量约为4.19kHz,传统MPFFT相位测量误差大于100°,经相位校正后,相位测量误差小于0.2°,相位差测量误差小于0.004°;在高斯噪声和谐波干扰情况下,相位差测量误差小于0.2°,当取栅距为20μm时,相位差测量误差所产生的位移测量误差小于0.0111μm,为光栅位移纳米级测量提供了参考。     

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。     

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。     

光学三维扫描仪光强传递函数的测量和校正

由于数字光栅投影仪的光强传递函数对于正弦投影条纹的质量以及相位测量精度起着至关重要的作用,本文提出了一种校正光学三维扫描仪光强传递函数的新方法。首先,分析了由于投影仪非线性响应引起的光栅谐波的相位测量误差;然后,通过投影一组不同灰度级的图像,并利用光功率计测出数字投影仪投出图像的亮度。接着,通过分析得到数字投影仪的非线性响应特性曲线,再经过数据处理,即可获得投影仪的光强传递函数;最后,对光强传递函数进行反函数逆变换,得到一个校正后的非正弦光栅,利用投影仪对该光栅的投影即可在被测物体表面上获得一个正弦光栅。数字投影仪对标准平板的测量结果表明,校正前平均误差为0.71 mm,校正后为0.55 mm;对于标准量块的测量,校正前的平均误差为0.62 mm,校正后为0.15 mm。上述结果表明,本文提出的方法可以减小由于系统非线性响应引起的测量误差并提高测量精度。     

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。     

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.     

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%。     

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。     

A novel three-dimensional shape measurement method based on a look-up table

Fringe projection profilometry is widely used for three-dimensional shape measurement. In an oblique-angle projection, the fringe cycle is broadened on the reference plane. Phase errors are mainly caused by the nonlinear gamma of the projector and fringe cycle broadening. This study describes a phase error compensation method to eliminate these phase errors. A look-up table that stores phase errors is constructed for phase error compensation. Based on it, a new height equation is proposed. The experimental results show that the proposed method can compensate for the phase errors of the fringe projection profilometry, thereby improving the measurement accuracy significantly.     

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。     

Phase measuring profilometry based on elliptically pattern grating

The present study proposes a new method for measuring the surface shape of an object using elliptically pattern grating projection. Based on phase measuring profilometry (PMP), elliptically pattern grating is projected on the surface of the object to measure its shape in 3D. The computing formula for solving the phase by the phase-shifting fringe method is derived, and the 3D shape formula for the altitude is reestablished. The error-contrastive analysis of the object's surface shape is re-established based on the proposed method and traditional PMP. The proposed method was shown to have a strong anti-noise ability and able to measure objects under high noise. More accurate measurement results were obtained by computer simulation and experiment to verify the feasibility of the proposed method.     

Gamma-distorted fringe image modeling and accurate gamma correction for fast phase measuring profilometry

In fast phase-measuring profilometry, phase error caused by gamma distortion is the dominant error source. Previous phase-error compensation or gamma correction methods require the projector to be focused for best performance. However, in practice, as digital projectors are built with large apertures, they cannot project ideal focused fringe images. In this Letter, a thorough theoretical model of the gamma-distorted fringe image is derived from an optical perspective, and a highly accurate and easy to implement gamma correction method is presented to reduce the obstinate phase error. With the proposed method, high measuring accuracy can be achieved with the conventional three-step phase-shifting algorithm. The validity of the technique is verified by experiments.     

A fast and accurate gamma correction based on Fourier spectrum analysis for digital fringe projection profilometry

In digital fringe projection profilometry, the gamma effect of the used electronic devices seriously affects the accuracy of three-dimensional (3D) topography measurements. Previous gamma correction methods do not take full advantage of the Fourier spectrum of the captured spatial-carrier phase-shifting fringe patterns. Hence, dozens of phase-shifting fringe patterns are required to carry out gamma pre-calibration. In this paper, a fast and accurate gamma correction technique based on a Fourier spectrum analysis is proposed. Only two spatial-carrier fringe patterns with different pre-encoded gamma values are needed and the number of fringe patterns required for gamma pre-calibration is significantly reduced without loss of accuracy. The proposed method is validated by experiments.     

基于单目结构光的大物体三维测量关键方法的研究

在单目结构光的三维测量系统中,由于投影仪倾斜投影, 参考平面上的条纹周期展宽, 给测量带来误差,降低了测量精度。同时受大物体自身几何和形貌等因素的影响,以及相交轴测量系统的限制,其单幅面测量范围受限,很难一次测量大物体完整的三维形貌,而且在测量大物体时,摄像机镜头非线性畸变也影响测量精度。根据参考平面上光栅条纹的周期变化规律,提出了一种适用性好、方便快捷的条纹周期校正的理论模型, 在此基础上, 提出了基于条纹周期校正的四步相移法的理论模型,进而提出了基于条纹周期校正的时间相位展开法的理论模型。采用摄像机镜头非线性畸变校正模型,提高测量精度。在被测物表面粘贴标志点,获取其三维坐标,利用SVD分解和L-M优化算法求取转换矩阵,并在设定的全局坐标系下实现三维图像拼接,采用线性加权算法,对重叠区域进行图像融合。实验结果表明,X轴的拼接误差为0.14 mm,Y轴的拼接误差为0.16 mm,Z轴的拼接误差为0.19 mm,其拼接误差均在测量误差允许范围之内。     

数字条纹投射技术中改进的非线性校正方法

在数字条纹投射技术中,系统的非线性是影响投射条纹质量的主要因素,其直接导致变形条纹中出现高次谐波,从而影响系统的测量精度。提出了一种系统非线性校正的新方法,利用N阶多项式拟合代替传统的单一伽马参数表示系统的非线性关系,并依据条纹图像累积直方图匹配方法,通过迭代操作同时求得系统非线性关系和较高精度的物体位相分布。计算机模拟及实验结果表明,该方法能够有效地抑制系统非线性的影响,获得理想的物体位相分布,从而验证了该方法的可行性。