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。     

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。     

基于光栅投影的轮廓测量改进方法

传统傅里叶变换轮廓方法(FTP)在测量表面突变的物体时,受物体高度变化所引起的非截断相位变化的影响,相位难以正确展开。利用双频光栅投影可以解决这一问题。在总结了传统测量方法与双频光栅测量方法的基础上,提出采用彩色复合光栅投影的测量方法。该方法只需一次采集,就能消除图像背景分量与高次分量对测量的影响,在扩大测量范围的同时可达到双频技术测量突变效果。最后,对3种方法的实际测量结果作了对比分析,证明彩色复合光栅投影方法得到的测量精度最高。     

一种从粗到精逐步细化的变尺度光栅投影测量方法

传统的光栅投影法依靠相移法进行测量,对绝对相位的计算需要应用解包裹算法完成。由于解包裹算法要求空间相位具有连续性,因此不适合高度变化显著的物体的测量。针对该问题,提出一种多尺度条纹投影测量的方法,直接获取高密度条纹投影的绝对相位。通过对高密度64周期条纹扫描投影测量相位的二次拟合曲线的实验处理,在绝对相位 [-201,201]的变化范围内,拟合标准差达到0.096 63 rad的精度。     

高速旋转物体频闪在线相位测量轮廓术

为了实现高速旋转工件的在线三维面形检测,提出一种高速旋转物体频闪在线相位测量轮廓术(PMP)三维测量方法。利用圆形正弦光栅替代线形正弦光栅,采用高密度二元编码光栅替代灰度编码光栅,设计专用频闪同步控制单元同时触发投影系统频闪投射相移光栅和图像采集单元同步获取图像,获得物体在同一"冻结"位置下的相移变形条纹后,采用静态PMP相移算法重建物体的三维面形信息。实验结果表明,该方法具备可行性和实用性,可有效避免工件离线检测时多次装夹不一致引入的加工误差,能够提高工件的检测效率和加工效率,可用于其他高速旋转物体的三维面形重建。     

嵌入式三维数字成像系统

提出一种基于数字信号处理器(DSP)的嵌入式三维数字成像系统设计方案。该方案的硬件平台由条纹投影模块、数据采集模块、条纹自动分析模块及储存器等其他辅助电路组成。条纹投影模块将DSP输出的正弦光栅条纹, 经视频编码后用DLP投射到物体表面; 数据采集模块通过CCD相机采集被物体表面三维信息调制后的变形条纹图, 并进行视频解码; 条纹自动分析模块中利用相移算法计算折叠相位, 再结合相位展开算法求绝对相位分布。系统软件采用多线程技术并行控制三个模块。在相位解调过程中以软件流水线为主综合运用了循环展开、数据预取和内联函数等多种方法优化解调程序。实验结果表明, 该系统可以高速、准确地实现三维轮廓测量,优化后相位展开程序速度是优化前的7倍。     

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。     

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。     

小波变换轮廓术在双频光栅条纹中的应用

为了解决非连续物体三维面形测量中所存在的非连续相位解包问题,采用计算机生成的两频率之比为一无理数的电子光栅作为空间载频光栅条纹投影到待测物体表面。另外结合伽博小波变换分析的相位解调原理,在一幅变形双频光栅图像中分析得到两个频率各自所对应的包络相位分布,并且应用钟金钢等所提出的双频条纹查表法进行解包得到确定的调制相位分布。提出的双频光栅-小波变换-查表相位解包法很好地解决了傅里叶变换轮廓术,以及连续相位解包法在非连续物体三维面形测量中所存在的问题。给出了详细完整的理论推导过程、计算机模拟以及实验验证,证实了该方法的可行性。     

基于编码光栅的空间不连续三维物体表面的绝对相位获取方法

为快速获取空间不连续三维物体表面的绝对相位,提出了一种基于编码光栅的相位展开方法。该方法只需投射一幅带有编码信息的光栅条纹图像,即可获取相位展开所必需的条纹级数信息,从而得到整个被测表面的绝对相位信息。根据相位-深度关系,可获得整个被测表面的三维信息。与基于格雷码的相位展开方法相比,该方法不依赖被测物体的灰度信息,抗噪声性能更好。该方法只需额外投射一幅编码条纹图像,更适用于对实时性要求比较高的三维测量。通过实验证明了该方法的有效性和可行性。     

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。     

广义条纹图序列编码的相位重建

为解决拓扑复杂物体三维数字化过程中的绝对相位测量及相位重建问题,提出了一种广义变频条纹图序列的相位展开算法。简要综述了现有的各种时间维相位展开算法并指出这些算法存在的问题,在此基础上,详细分析比较提出方法与正指数条纹序列算法的噪声免疫力和时间复杂度,证明该方法有更高的噪声免疫力和更低的时间复杂度。特别是,当相邻编码条纹图的条纹数之比不等于2时,正指数条纹序列算法出现严重噪声,而提出的方法依然能够正常工作。此外,该算法还能够根据实际情况决定需要投影的条纹频率,从而能够使用相对较少的条纹编码图像进行有效的相位展开,进而提高系统的实时性。理论分析和实验结果都证明了提出算法的有效性。     

基于可靠性的相位去包裹算法

提出了一种新的基于可靠性的相位去包裹算法。采用了队列算法及去包裹可靠性的判别标准。与传统方法相比,能够自动避开噪声区域,解决了相位去包裹中的阴影遮挡以及空洞等问题,克服了传统去包裹方法中的误差传播效应,能准确快速地对全场进行相位去包裹。设计了一套基于此算法的三维形面测量系统。     

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。     

光弹性测量中的位相展开

根据调制度排序，提出了一个新的用于模型全场光弹条纹级次测量的位相展开方法，并进行了实验验证。在位相展开区域的边界上，位相展开的路径由像素的强度调制决定。这个方法的优点是很明显的，即使在最坏情况下，其误差也限制在局部最小区域上。     

单周期条纹双四步相移投影仪的标定方法

针对投影仪标定方法中存在畸变及倾斜投影引起条纹周期、条纹级数变化的问题,提出一种单周期条纹双四步相移投影仪的标定方法.设计生成横向和纵向各两组单周期条纹图像,经投影仪投影到带有圆形标识的标定板上,相机同步采集标定板图像,叠加由双四步相移获得的两幅相位主值图,对叠加相位主值图相位展开,利用展开的绝对相位值计算投影仪像素坐标值,最终将投影仪标定转换为成熟的相机标定.实验结果表明:仿真投影仪标定实验准确度的最大重投影误差约为0.4pixel,均方根误差为0.132 96pixel;实际投影仪标定实验准确度的最大反投影误差约为0.46pixel,均方根误差为0.143 12pixel;实验结果与仿真结果的最大反投影误差相差15%,均方根误差相差7.6%.与现有的采用三频相位展开进行投影仪标定的方法相比,投影光栅图像数可减少8幅.该方法改善了现有投影仪标定方法的不足,标定准确度和标定效率均得到提高.     

从一幅载频全息图中实现相位重构的新算法

为了实现对单幅载频下涉图进行相位重构.提出了一种避免相位"解包裹"的简易算法.该算法从载频干涉图中解出所求相位的两个偏导数,然后对两个偏导数积分从而得到所求的相位.利用该算法分别对计算机模拟的干涉图和实验所得干涉图进行相位重构,重构结果均表明该算法能够很好地从载频干涉图样中实现相化重构.并且由于避免了相位"解包裹"的过程,从而简化了相位重构的流程,同时也避免了由相位解包带来的错误或误差.此外,该方法在重构相位时,对干涉图中强度分布的不均匀性不敏感.     

Fringe contrast-based 3D profilometry using fringe projection

Quality-guided algorithm is a widely used method in phase unwrapping. This paper shows an accurate quality map based on fringe contrast for 3D shape measurement. Phase-shifted fringe patterns are projected onto an object surface by a programmable liquid crystal projector and recorded by a CCD camera. A wrapped phase map and a fringe contrast map are extracted from the deformed fringe patterns by the phase-shifting technique. Guided by the contrast map, the quality-guided unwrapping algorithm minimizes unwanted shadow and non-uniform surface reflectance effects and is able to retrieve a correct surface profile. Validity of the proposed method is tested on a fish model and a cutting tool specimen.     

Recovering the absolute phase maps of two fringe patterns with selected frequencies

Phase unwrapping is an important and challenging issue in fringe pattern profilometry. In this Letter we propose an approach to recover absolute phase maps of two fringe patterns with selected frequencies. Compared to existing temporal multiple frequency algorithms, the two frequencies in our proposed algorithm can be high enough and thus enable efficient and accurate recovery of absolute phase maps. Experiment results are presented to confirm the effectiveness of the proposed technique.