用条纹图形拼接法测量三维大物体面形

三维物体面形的测量在各个领域中有着广泛的应用，用莫尔法、调制光场分析法测量具有非接触性、高精度、快速的特点，但对于大物体的测量却存在着许多困难，诸如阴影噪声难以消除、条纹对比度低。考虑到图形的相关性，本文提出了一种基于多孔径拼接原理的测量三维大物体面形的方法：条纹图形拼接法，给出了数学模型、计算机模拟结果和实验结果。     

影响条纹图形拼接法测量精度的主要误差因素

通过对计算机模拟和实验结果的分析表明，影响条纹图形拼接法测量精度的主要因素是子孔径面形测量精度，重叠区的大小，面形拟合阶次和拼接模式等。     

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。     

基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统

提出一种基于柔性靶标定位实现图像拼接的多相机三维测量系统,采用一个激光投影仪投影大幅条纹,多相机分布式采集的方法扩展视觉三维测量系统的测量范围。标定过程首先使用小型平面靶标标定基准相机二维图像坐标和相位值到三维世界坐标的映射关系,之后在相邻相机部分视场(FOV)重合的前提下,利用柔性靶标定位标定相邻相机图像坐标的转换关系,最后将各个相机的图像坐标全部转化到基准相机的图像坐标系下完成图像拼接,由基准相机图像坐标到世界坐标的映射完成全局三维测量。实验结果表明,使用图像拼接方法的测量精度略低于相机单视场测量的精度,但精度损失较小,满足工业在线测量的要求。该方法避免使用昂贵的辅助测量仪器和加工高精度大型靶标,为多相机视觉测量提供了成本低、使用方便的解决方案。     

台阶状面形的投影栅线法测量技术

采用光栅投影式三维轮廓术测量物体三维形貌时，当物体是台阶状物体时，物体表面的光栅条纹有阴影，导致后面的叠相还原过程无法进行。为了解决这一问题，将被测物体放在精密的旋转平台上。通过2次成像后，对2幅图像进行图像拼接，得到清晰的被光栅调制的物体图像。在图像拼接时，引入区域黑白对比度概念，区域的黑白对比度最大位置就是黑白区域的分界线。从而精确确定中间块2个边界的位置,然后进行图像拼接。最后采用双频光栅的傅里叶变换轮廓术来实现物体的三维形貌重建。结果表明：本方法简单、精度高，可以成功解决投影时具有阴影物体的三维形貌重建问题。     

基于单数码相机的三维视觉测量数据拼接方法

针对大型物体三维形貌视觉测量,提出了一种新的视觉测量三维数据拼接方法。以一台高分辨率数码相机作为全局测量设备,在测量过程中固定不动,并以数码相机坐标系作为全局坐标系。视觉传感器流动到不同位置对物体各子区域进行测量,获得局部坐标系下的三维数据。以一平面靶标为中介将视觉传感器在各位置的局部坐标系统一到全局坐标系下,从而将三维数据统一到全局坐标系下,完成三维拼接。该方法无需在被测物上贴标记,因此适用于任何材质的被测物,且消除了拼接累积误差。实验结果表明,该方法相对拼接误差为0.076%。以Venus石膏像为被测对象,视觉传感器对其三个局部区域进行测量,给出了局部测量结果及拼接结果。     

基于标志点的三维拼接立体偏折法

立体偏折法作为一种非接触式镜面表面三维测量方法,近年来发展迅速。为了解决传统立体偏折法难以测量较大倾角曲面的问题,提出了一种基于标志点的三维拼接立体偏折法。先利用立体偏折法测量不同视角下的曲面子区域的三维点云,同时通过立体视觉测量样品台上标志点的三维坐标,使用标志点坐标进行粗拼接,再通过迭代最近点算法进行精拼接,最终重构出完整的三维面型。实际搭建了一套三维拼接立体偏折测量系统,测量了一个倾角25.8°的光滑凸球面反射镜,拼接后球面拟合误差在3μm以内。实验结果验证了方法的可行性,对立体偏折法应用于大口径和大倾角的复杂光学曲面三维测量具有借鉴意义。     

基于方形孔径微透镜阵列二维叠栅条纹的微小角度测量

提出了一种利用方形孔径微透镜阵列和微图形阵列产生的二维叠栅条纹测量微小角度的方法。分析了不同尺寸阵列产生的二维叠栅条纹的节距变化规律,推导了微小旋转角度的表达式,对叠栅条纹的节距与阵列夹角之间的关系进行了理论分析与实验测量。研究结果表明,当微图形阵列的窗口边长小于微透镜阵列的透镜元宽度时,叠栅条纹的节距变化较平缓,且对微图形与微透镜阵列间的夹角θ的变化较敏感,这有利于提高测量结果的准确性;当微图形阵列的窗口边长为0.3mm,微透镜阵列的透镜元宽度为0.4mm时,节距与夹角θ间关系的实验结果与理论结果总体一致。     

彩色复合条纹投影测量系统串扰消除方法

由于从一个彩色图像中可以提取多个条纹,复合条纹投影技术在三维测量领域得到了广泛的研究和应用。为了覆盖所有的光谱范围,投影和成像系统颜色通道间存在着串扰,从而改变了条纹的形状,最终影响三维数据测量的精度。综述了彩色复合条纹投影三维测量系统中颜色通道间串扰的补偿方法。针对彩色条纹投影系统中相机和投影仪颜色通道间的串扰问题,分析了其形成原因。对彩色条纹投影三维测量系统的串扰消除方法进行了分类和总结,并具体比较了各种方法对串扰消除的效果。所综述的方法对选择合适的串扰消除方法、提高彩色复合结构光投影三维测量系统的精度具有重要的应用价值。     

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%。     

圆柱坐标下的多孔径拼接测量三维面形

直角坐标下的拼接方法在测量三维物体特虽是回转特体时碰到了困难。把拼接方法推广到圆柱坐标可以解决这一难题。验证了这种方法的正确性。最后给了实际测量结果。     

一种微米级高度台阶镜面条纹反射的三维测量系统

提出了一种检测微米级高度衍射台阶结构的条纹反射三维检测方法.对条纹反射光路的理论分析表明,合理选择入射光线角度和液晶屏放置角度以及液晶屏像素尺寸等系统参数,条纹反射系统能够分辨微米乃至亚微米级的镜面台阶.实际构建了一套微米级台阶镜面条纹反射测量实验装置;采用四步相移法进行条纹相位解算,运用移动屏幕方法确定反射光线方程,结合三角交汇原理,对待测台阶镜面进行三维重构.实际测量了名义值为5μm和10μm的台阶镜面,测量结果不确定度在0.5μm内,和商业仪器测量结果的偏差<0.5μm,证明了设计方法的可行性.本文结果对于包含衍射台阶结构的光学元件三维测量研究具有一定的借鉴意义.     

基于椭圆形光强分布光栅投影的三维面形测量方法

基于椭圆形光强分布光栅投影测量物体三维面形的方法,将椭圆形光强分布光栅投影到被测物体表面,用摄像机获取变形条纹图,通过系统参量和条纹图携带的相位信息求解出物体的三维面形.推导出通过椭圆形光强分布光栅条纹求解相位的计算公式并对提出方法作了计算机仿真.实验结果表明该方法可以比较准确地测量物体的三维面形,在噪音较大的情况下测量结果仍具有较高准确度.     

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。     

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。     

基于椭圆形光强分布光栅投影的三维面形测量方法

基于椭圆形光强分布光栅投影测量物体三维面形的方法,将椭圆形光强分布光栅投影到被测物体表面,用摄像机获取变形条纹图,通过系统参量和条纹图携带的相位信息求解出物体的三维面形.推导出通过椭圆形光强分布光栅条纹求解相位的计算公式并对提出方法作了计算机仿真.实验结果表明该方法可以比较准确地测量物体的三维面形,在噪音较大的情况下测量结果仍具有较高准确度.     

基于条纹对比度和背景光校准的正交复合光三维测量方法

提出了一种对条纹对比度和背景光进行校准的正交复合光三维测量方法。从参考平面的复合光栅像中解调获得各帧相移正弦条纹,通过频域滤波的方法获取条纹的零频和基频分量,计算出各帧相移正弦条纹相对第一帧正弦条纹的对比度和背景光比例系数,并以此系数对实物测量时解调出来的各帧变形条纹对比度和背景光进行校准,建立了新的三维测量数学模型。实验证明该方法能降低传统正交复合光三维测量方法中的解相误差,提高系统的测量精度。     

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。     

球面的快速测量与非球面的快速拼接

利用立式车间用球面干涉仪实现比较法球面面形测量，一次调整好以后可以达到多片快速测量，避免复杂的调整，通过监示器看到光圈；并可以通过条纹扫描技术实现光圈数Ｎ及局部光圈数ΔＮ的自动客观判读；对于低陡度非球面的多块拼接，可以籍助“非球面特征干涉图”实现快速初步拼接，然后再用每个子孔径的相位探测实现整个孔径的拼接，并可以通过数字的测量与波面相减自动获得非球面的面形误差。