利用预失真条纹校正PMP系统投影仪畸变的研究

依据摄像机畸变模型提出了一种投影条纹相位畸变校正方法来简化相位-高度映射关系.该方法首先通过投两套互相垂直的相移正弦条纹,以相位值代替投影仪像素坐标,将投影仪当成摄像机看待,标定出投影仪的内参量.然后根据标定出的投影仪镜头畸变参量对理想相位施加反向的畸变,在投影时反向畸变的光栅通过镜头畸变,又成为理想的光栅,从而简化了相位-高度映射关系.实验中,虽然由于测量误差的影响,校正后的投影仪径向畸变系数还是比原来小了1个数量级.     

基于相位标靶的投影仪畸变测量与校正

针对传统的投影仪畸变标定方法系统结构和理论推导复杂等问题,提出一种基于相位标靶的投影仪畸变测量和校正方法。该方法以附有全息投影膜的液晶显示屏作为相位标靶,液晶显示屏依次显示水平和垂直方向的正弦条纹图像,投影仪向相位标靶依次投射水平和垂直方向的正弦条纹图像,并分别计算显示条纹和反射条纹的绝对相位。利用两组相位在相机像素上的对应关系,将投影仪投射相位转换到液晶显示屏相位坐标系中,从而测得投影仪的畸变。根据采集的相位空间关系进行畸变校正,使投影仪投射的等相位线在相位标靶上呈直线分布。实验结果证明,该方法可测量并校正投影仪的畸变,不受相机成像质量的影响,可为条纹投影三维形貌测量技术提升投影质量。     

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.     

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.     

基于两步标定法的稳定、高精度条纹投影三维轮廓重建北大核心CSCD

在传统的条纹投影轮廓术(FPP)重建算法中,通常倾向于简化校准模型以提高数值稳定性。但是简化后的校准模型难以有效地补偿FPP系统中照相机和投影仪的镜头畸变,结果不能保证FPP的测量精度。提出了一种两步标定法,依次执行镜头畸变补偿和系统标定,通过使用相机和投影仪的标定参数来校正输入变量的值,实现镜头畸变的有效补偿,同时给出形式简洁但精度更高的测量模型进行物体三维轮廓重建。实验结果验证了方法的有效性和实用性。     

基于载频条纹相位分析的畸变测量和校正

为了对图像畸变进行测量和校正,利用纵向朗奇(Ronchi)载频条纹作为测量模板,通过成像系统获取畸变光栅条纹.运用傅里叶变换对畸变条纹图像进行频谱分析、滤波提取基频信息,直接从畸变图像的中心无畸变区域提取理想条纹像信息.通过相位分析提取包裹相位并解包,获得畸变光栅条纹的径向畸变相位分布规律.将该分布规律转化为径向位置畸变分布规律,并结合双线性插值灰度重建对畸变图像进行校正.实验结果证明该方法是有效的.     

条纹投影相位高度转换映射模型及其标定方法

为了提高条纹投影三维(3D)测量系统的测量速度和准确度,提出了一种改进的相位高度转换映射模型。通过建立虚拟相机坐标系以及分析条纹信息在投射器坐标系与相机坐标系之间的转换关系,在相机坐标系中建立了从相位到高度的一一映射模型,并在映射模型中校正了相机镜头的畸变。该模型结构简单,便于结合查表(LUT)法使用。应用查表法后,模型算法复杂度极低,可以应用在高速测量中。同时,提出了一种针对映射模型的标定方法,并在相机标定过程中利用逆向投影优化过程对相机的参数进行迭代优化。标定方法简单高效,不需要参考平面,且对系统中的相机和投射器的相对位姿没有严格的要求。实验结果表明所提映射模型及标定方法可以实现快速准确的三维测量。     

一种新的反向投影条纹生成方法研究

反向条纹投影技术是一种应用于在线或批量检测的快速而稳定的光学三维面形检测技术.提出了一种新的产生反向条纹的算法,新的算法建立投影器坐标系与摄像机坐标系的正向映射变换关系,通过投影器坐标系上一个像素点的两套相位值,找到其在摄像机坐标系中对应的位置,即产生投影器坐标系像素点在摄像机坐标系中的注册.由于期望在摄像机中观察到的条纹图像只是简单的正弦条纹图像,直接读取注册点的期望条纹相位,很容易产生反向条纹.计箅机模拟和反向条纹投影实验中的相位标准差分别达到7.044×10-6 rad和3.34×10-2rad,比以前的方法在精度上有了较大的提高,并简要分析了精度提高的原因.计算机模拟和实物测试实验都验证了该方法的可行性.     

基于高度信息的自由曲面可编辑投影显示技术

提出了一种基于高度信息的自由曲面可编辑投影显示技术。利用基于条纹投影的平面标定技术,建立了测量范围内的相位-高度映射表;采用高精度相移技术和三频时间相位展开方法,获得了自由曲面的水平和垂直相位分布信息;利用反向条纹投影技术建立了投影仪像素与相机像素间的几何及强度传递关系。利用该显示技术可在曲面上投影基于其高度信息的预期编码图像,实现高度信息的可编辑投影和三维显示。给出了在自由曲面上投影等高线和伪彩色编码、冰川雪线变化的动态过程及仿真实体添加等实例。     

傅里叶变换轮廓术中新的相位及高度算法分析

在传统傅里叶变换轮廓术三维面型测量中,为了准确得到被测物体的高度分布,必需保证投影仪出射光瞳和摄像机入射光瞳的连线与参考面平行并且在同一水平面,否则存在较大的误差。着眼于更普通的情况,讨论双瞳连线与参考面成某一夹角时的高度计算,推导出了非平行时的参考面光场及物面变形条纹光场的表达式,并给出了高度映射公式。因而,传统的傅里叶变换轮廓术测量成为角度α=0时的特例。该方法使傅里叶变换轮廓术的测量条件得到了放宽;易于通过移动投影装置或成像装置获取全场条纹;并为在难以实现双瞳与参考面平行的特殊环境下的测量提供了可行的方法。计算机模拟及实验均证实了该方法的有效性。     

Image fusion by color texture extraction

In this paper, we present a method to extract shape and color information simultaneously of a colorful object by projecting sequentially sinusoidal fringe patterns onto object's surface. Distorted fringe patterns are captured by digital CCD color camera. It is applied the phase shifting method to evaluate the phase of the projected fringes. We obtain both topography details and color texture information.     

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%。     

基于无约束系统的结构光三维测量方法

针对传统结构光系统进行三维测量时,要求满足双瞳平行于参考平面和摄像机光轴垂、直于参考平面这两个强约束条件,建立了新的系统结构,去除了平行和垂直的约束,摄像机和投影仪位置可自由摆放.基于该无约束系统结构,提出了一种新的系统标定方法,通过重建"投影仪摄像机参考平面"三者的空间关系,可以简便而精确地获取传统"高度相位"公式中参量:双瞳的距离和摄像机到参考平面距离;同时,推导了无约束系统结构下新的物相关系方程和高度计算公式.实物测量结果证明,基于无约束系统的结构光三维测量方法可操作性强,测量精度可达0.1 mm.     

Microscopic surface contouring by fringe projection method

This paper describes the use of optical fringe projection method for 3D surface profile and deformation measurement of micro-components. In this method, sinusoidal linear fringes are projected on a micro-component surface by a grating phase shifting projector and a long working distance microscope (LWDM). The image of the fringe pattern is captured by a high-resolution CCD camera and another LWDM and processed by phase-shifting technique. A simple procedure is described which enables calibration of the optical set-up for subsequent quantitative measurement of micro-components of unknown shapes. This method is relatively simple and accurate, and is capable of conducting fully automated measurements. In this paper, two micro-components, a micro-mirror (0.1 mm×0.1 mm) and a micro-electrode pad are used to demonstrate deformation measurement and microscopic surface contouring.     

High precision phase measuring profilometry based on stereo microscope

A high-precision phase measuring profilometry (PMP) based on a stereo microscope is presented. A high-quality area modulation sinusoidal grating by a LED illumination is used to produce the high-quality sinusoidal fringes. Phase-shift technique is employed to get the phase distributions, and the 3D data could be reconstructed by the phase-height mapping algorithm easily. The accuracy depends on the field of view, which at a large magnification is below 1 μm. This setup will be promising for high accuracy measurement task.     

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。     

Three-dimensional shape measurement for an underwater object based on two-dimensional grating pattern projection

In this paper, a practical method using phase tracking and ray tracing algorithms is proposed for measuring the three-dimensional (3D) shape of an underwater object. A 2D projected sinusoidal fringe goes through the water and illuminates the tested object. Firstly, the phase tracking algorithm is employed to identify homologous points in phase distributions of the deformed fringe captured by the camera and these of the fringe pattern projected by the projector. The projector is regarded as a special camera as regards the stereovision principle. In the calibrated system, both ray directions of the homologous points can be easily figured out. Secondly, the ray tracing algorithm is used to trace the propagation path of each ray and to calculate the 3D coordinates of each point on the tested object's surface. Finally, the whole shape of the tested object can be reconstructed.