基于彩色栅线的结构光动态三维测量技术研究

结构光动态三维测量能够实现运动或者变形物体型面重构。将6色3次伪随机条纹序列的色彩信息溶入亮度呈余弦周期性变化的数字栅线图中,构成彩色栅线空域编码图案。图像解码采用仿视觉过程。在直觉处理阶段,通过亮度峰值与对应的色彩信息来实现周期划分;在专注处理阶段,通过局部亮度变化关系来进行空域解相。实验结果证明,测量系统只需投影单幅图案即可实现物体形貌的三维重构,可满足动态测量的要求,结合亚像素匹配可保证一定的测量精度,能形成多分辨率测量。     

具有等腰三角形齿结构的线性结构光编码的三维面形测量技术

对具有等腰三角形齿结构的线性结构光编码的三维面形测量技术(LCP)进行了研究,给出了相位测量原理及公式,并通过对人头石膏模型的实测验证了这种测量方法是实用可行的.     

线结构光自同步扫描三维形貌测量系统

针对空间目标操控任务中非合作目标近距离三维形貌测量的需求,设计了基于激光三角法原理的线结构光自同步扫描三维形貌测量系统.分析了经典的点扫描测量系统模型,扩展建立了线结构光扫描系统模型.构建了测量系统桌面样机,利用二维平面棋盘靶标构建虚拟立体靶标完成了系统参量的标定.分别对已知结构的工件及天宫一号缩比模型进行了测量实验,结果表明:测量距离为1m时,系统三坐标测量误差均优于1mm,Z向距离误差为0.18mm,测量点到拟合平面的距离误差均值为0.31mm.该系统简化了扫描系统结构,能降低空间载荷的重量和功耗,满足空间任务中快速三维形貌测量的需求.     

三维形貌测量的扫描相移法研究

物体三维形貌测量中常用的光切法的主要优点是易于实现扫描测量大型物体表面,缺点是光刀中心位置难以精确确定;相移法的主要优点是可以用较宽的光栅提高测量的灵敏度与准确度,具有测量速度快和较好的抗静态噪声的能力,缺点是当待测范围较大时,采集图像的像差较大,不利于大型物面的测量.将这两种方法有机地结合起来,取长补短,提出了一种扫描相移法.实验结果表明,这个方法不但适用于长形大物面的形貌检测,而且又大大地减少了图像采集系统畸变误差的影响,从而提高了检测准确度.     

相移法获取三维光弹特征相位差的方法

对于三维光弹模型,次主应力及其方向沿入射光连续变化,根据光学等效的原理,可以将三维光弹模型等效为一个包含线性相位延迟器和旋光器的光学模型。在集成光弹法中,对于每一个测量点,研究者必需通过实验获取三个特征参数。提出了一种用于确定集成光弹中全场特征相位差的五步相移法,给出了偏振光场中元器件的设置方法,并运用Jones算子推导出相移法得出的光强公式。最后使用斜射法对径向受压圆盘进行实验,验证了方法的有效性。     

三维重建的格雷码-相移光编码技术研究

提出一种基于格雷码-相移的组合光编码技术, 以格雷码技术自身的误差不累加性优点保证了光编解码的稳健性, 针对格雷码对视场解析的有限性缺陷, 提出将格雷码部分作为编码的整数部分, 综合使用相移编码作为小数部分, 实现了视场空间的无级细分, 提高了编码的分辨率, 对编码技术中常见的两种错误, 使用提出的编码校正算法有效的减少了编码错误及重建误差的产生。试验结果表明这种光信号编码方法在三维测量中的有很高的稳健性。     

基于条纹级次编码与调制的结构光相位展开算法

利用相位级次的编码和调制方法将相位级次信息叠加到相移图像中,提出了一种直接利用相移图像进行相位解包裹的方法。在投影端,提出了一种邻接不重复德布鲁因序列,并用该序列对相位级次进行编码,然后将该周期级次编码序列调制、叠加到多步相移图像中。相应地,在解码阶段,从拍摄到的相移图像中同时解调、分解出包裹相位和周期级次编码序列,通过序列的匹配还原真实周期级次信息,并最终准确地解包裹出绝对相位。以四步相移法为例,本文方法相比传统的时间相位解包裹算法,投影图片从10张(64个相位周期)缩减到了4张,提高了测量效率。     

格雷码与六步相移编码融合的三维结构光学测量方法

编码结构光技术是一种获取复杂目标三维结构的典型测量技术,其将编码后的结构光图案投射到待测物体表面进行调制、采集,并通过解码计算三维面形数据,可见编码方法是结构光三维测量技术的核心问题。然而,通用的格雷码编码方法和六步相移编码方法都存在一定缺陷,为此,以获取物体的高精度三维点云数据为目标,提出了一种融合格雷码与六步相移的结构光技术。首先,将格雷码结构光设计为7幅黑白相间的条纹周期图像,并通过投射角度解码操作将图像划分为多个区域;然后,设计六步相移结构光为6幅具有相位差的余弦周期图像,通过相位解包裹操作将每个子区域细分到单个像素单元;最后,融合以上两种编码结构光解码值,计算图像内每个空间点的绝对相位信息。仿真实验与实际测试实验显示,与传统六幅莫尔条纹结构光技术相比,融合结构光技术计算量较小,同时也克服了单独使用格雷码或相移技术所存在的问题,能够以较高精度获取物体目标的三维结构细节,为基于结构光的双目三维扫描系统提供一定理论依据。     

一种符号阵列编码结构光三维检测方法

编码结构光检测技术是一种主动视觉方法,利用投射的模式光,通过三角原理获得深度信息。根据伪随机阵列的特性,提出了一种可用于检测场景目标的一次投射模式的结构光三维检测方法。符号的拐点、交叉点比传统的基于伪随机序列及M阵列模式提供了更多的检测点。符号阵列能够提供足够多的码字使所有的子模式获得全局唯一性。基于符号链分解算法及角度变化的轮廓特征,解码方法能够识别绝大多数码字。重建实验表明可以对一定曲面变化的物体进行检测,并能重建其形廓。     

线性结构光编码的三维轮廓术

提出一种新的光学轮廓术－线性编码轮廓术，它利用周期线性结构光编码三维物面，并辅以相移技术来解调相位。本文详细给出了线性编码轮廓术的原理，并通过实验验证了其可行性。     

编码光系统的颜色耦合与颜色失衡校正

为了减小编码光系统中的颜色耦合与颜色失衡的干扰,提高形状与颜色重建的准确度,建立了彩色编码光系统,并对其所采用的编解码方法、颜色重建的两个相关环节及颜色校正方法进行了研究。首先,给出了系统的彩色梯形相移强度比编解码法,分析了编解码过程中存在的RGB基色相互耦合现象,设计了应用Caspi模型硬件标定的颜色耦合校正方案;然后,给出了系统的逐点颜色重建法,分析了颜色重建过程中由表面曲率导致的颜色失衡现象,设计了利用表面几何信息校正颜色失衡的方案。实验结果表明：校正后单一绿色图像中的红色分量值约为校正前的1/10;单色表面色差约为0.1,趋近于人眼颜色分辨率,远低于校正前的0.4;重建的单色复杂被测表面颜色均匀、视觉效果良好,符合实际情况。提出的方法符合编码光系统抗干扰能力强的要求,有助于提高形状与颜色重建的准确度。     

结构光三维测量系统中投影仪标定技术研究

投影仪标定是单摄像机单投影仪结构光三维测量中的基础。采用双面标定块实现投影仪的标定。标定块正面为黑底白色圆点图案,通过Tsai两步法及非线性优化完成摄像机标定。背面为反射率均匀的白色平面,由投影仪投影双方向高亮度的直线来生成特征点。针对特征点三维坐标难以确定的问题,采用了两种方法:一是依靠摄像机标定结果;二是结合正面圆点图案,利用交比不变性获取更多的有效输入数据。标定设备简单,操作方便。实验结果证明具有较理想的标定精度。     

基于扫描白光干涉法的表面三维轮廓仪

在强调表面三维形貌测量重要性的基础上 ,介绍了利用扫描白光干涉法测量表面三维微观形貌的原理及三维轮廓仪测量系统的构成。通过给出的几个测量实例 ,反映了该三维轮廓仪的主要特点 ,适合于大范围、高精度、阶梯面的测量。最后分析了影响其测量精度的主要因素。     

An absolute phase to world coordinates method for the defocusing structured light shape measurement system

This paper proposes a flexible calibration method for the defocusing structured light three-dimensional (3D) imaging system. Neither a high accuracy translation stage nor the parameters of the projector is required. Therefore the method is more flexible in many practical applications. World coordinates for calibration are obtained based on the method of coordinates from known plane. The monotonic nonlinear relationships between the absolute phase and each world coordinate have been investigated. Different from other methods, in our method, the 3D shape is directly recovered by the absolute phase to world coordinates method. Experimental results show that, when polynomial curve fitting methods are used, the root-mean-squared (RMS) error for the flat plate reconstruction is less than 0.12 mm, and the measurement error of 3D points is less than −0.34%. Furthermore, when comparing the measurement results of our method with the method of coordinates from known plane based on camera calibration, the relative error is less than −0.05%. Therefore, camera calibration is considered as the major error source.     

结构光周期图案的统一解码方法

针对结构光解码问题,在传统相位测量轮廓术（PMP）理论的基础上,提出一种结构光周期图案的统一解码方法。通过把经典PMP的相位计算公式运用到任何周期波图案中,比如三角波、锯齿波、方波图案等,通过多频时间相位展开算法实现了对包含高频率的图案的相位展开。实验结果表明,提出的方法达到了相对高的精度,验证了此方法的有效性。     

基于结构光编码的相展开方法

探讨了一种新的基于结构光编码相展开技术。实现方法是先将计算机构造的用于解相的光栅由投影仪投射到物体上 ,再将计算机构造的一系列黑白相间的编码光栅也由投影仪投射到物体上 ,然后将畸变栅线图像由摄像机采集到计算机中 ,用解相光栅进行解相得到折叠在 [-π ,π]区间内的相主值 ,用所述结构光编码方法进行相展开得到相位的周期 ,二者相加得到真实相位值。与传统的相展开方法相比 ,该方法相展开过程变得相对简单 ,不依赖于路径 ,不存在误差的传播 ,对噪声的抗干扰能力强 ,能够得到准确的周期 ,并能够与解相过程有机结合起来。实验证明该方法获取光栅周期快速、准确     

Fourier transform profilometry based on composite structured light pattern

In Fourier transform profilometry (FTP), the zero frequency of the imaged patterns will influence the measurement range and precision. The π phase shifting technique is usually used to eliminate the zero order component, but this method requires the capture of two fringe patterns with a π phase difference between them, which will impede the real time application of the method. In this paper, a novel method is proposed, in which a composite structured light pattern is projected onto the object. The composite structured light pattern is formed by modulating two separate fringe patterns with a π phase difference along the orthogonal direction of the two distinct carrier frequencies. This method can eliminate the zero frequency by using only one fringe pattern. Experiments show that there is no decrease in the precision of this novel method compared with the traditional π phase shifting technique.     

一种基于线结构光的三维视觉曲面测量方法

为了建立物体的整体三维模型,在一般线结构光三维视觉系统结构的基础上,提出了一种三维视觉扫描方式———被动模式。这种模式是基于摄像机不动,使物体旋转,实现对物体的全方位扫描,解决了物体三维模型周视扫描的问题。给出了物体旋转轴心坐标的标定方法和物体的三维重建过程。     

Absolute phase recovery in structured light illumination systems: Sinusoidal vs. intensity discrete patterns

Structured light illumination is a well-established technology for noncontact 3D surface measurements. A common challenge in those systems is to obtain the absolute surface information using few measurement frames. This work discusses techniques based on the projection of multiple sinusoidal fringe patterns with different fringe period, as well as the projection of intensity discrete Gray Code and grey-level coded patterns. The use of sinusoidal multi-frequency techniques has been since years an on-going area of research, where various algorithms have been developed based on beats, look-up tables, or number-theoretical approaches. This work shows that a related technique, the so-called algebraic reconstruction technique that is borrowed from the area of multi-wavelength interferometry can be used for this purpose. This approach provides a robust analytical solution to the phase-unwrapping problem. However, this work argues that despite these advances, the acquisition of additional phase maps obtained with different fringe periods requires too many measurement frames, and hence is inefficient. Motivated by that, this work proposes a new grey level coding scheme that uses only few measurement frames, overcomes typical defocus errors, and has an error detecting feature. The latter feature makes the need of separate error detecting algorithms obsolete. This so-called closed-loop space filling curve can be implemented with an arbitrary number of N grey-levels enabling to code up to (2N) code-words. The performance of this so-called closed-loop space filling curve is demonstrated using experimental data.